Schlanke Fassaden für die serielle Sanierung

Der Gebäudebestand muss energetisch ertüchtigt werden, ohne übermäßig Flächen- und Ressourcenverbräuche zu erzeugen. Genau hier setzt EnOB: HLBhybrid [1] an: Das Vorhaben untersucht, wie schlanke, hochwärmedämmende Fassadenbauteile die Sanierung im großen Maßstab unterstützen können. Ziel war ein nichttragendes, raumhohes Bauteil mit guter Dämmleistung und robuster Ausführung. Dabei sollten möglichst auch regenerative Rohstoffe Einsatz finden. Als Leitgröße wurde im Vorfeld eine maximale ­Bauteildicke von 18 cm bei einem U-Wert um 0,20 W/mK angestrebt.

Die Relevanz des Verbundforschungsvorhabens liegt in der Praxis einer flächen- und ressourcensparenden Sanierung des Gebäudebestands. Je schlanker die neue Fassade, desto eher lassen sich Nutzflächen erhalten oder gewinnen. Dabei sollten auch Vorfertigungsprozesse wirtschaftlich eingesetzt werden. Damit adressiert das Projekt nicht nur materialtechnische Fragen, sondern zielt ebenso auf eine zentrale Transformationsaufgabe des Bauens im Bestand: die Umnutzung von Büro- in Wohngebäude.

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Zwei Lösungswege

Im Kern verfolgte das Forschungsprojekt eine Vorgehensweise mit zwei Konstruktionsalter­nativen. Lösungsstrategie I basiert auf dem ‚klassischen‘ Sandwichprinzip mit widerstandsfähigen inneren und äußeren Deckschichten und einer hochwärmedämmenden Kernzone. Lösungsstrategie II nähert sich einer Holzrahmenbau-Logik an, verwendet aber eine massive Tragschicht sowie eine Bekleidung aus neuartigen Leichtbetonen in Annäherung an die vorgehängte hinterlüftete Fassade (VHF, DIN 19516).

Diese Zweiteilung ist kein bloßer Variantenvergleich, sondern eine strategische Öffnung in unterschiedliche Bau- und Sanierungsszenarien. Beide Ansätze sind grundsätzlich für vorgefertigte Elemente geeignet und damit besonders interessant für die serielle Sanierung, bei der kurze Bauzeiten, Wiederholbarkeit und ein hoher Vorfertigungsgrad gefragt sind.

Materialentwicklung

Ein Schwerpunkt der Forschungsarbeiten lag auf der Weiterentwicklung von Holzleichtbeton [2] als leistungsfähigem Baustoff für die Deckschichten von Lösungsstrategie I. Anknüpfend an Forschungsarbeiten an der Technischen Hochschule Nürnberg [3] untersuchte der Projektpartner Meier Betonwerke GmbH, Lauterhofen, zahlreiche Rezepturen mit organischen Zusätzen, alternativen Bindemitteln und Füllstoffen. Die Arbeiten im Betonlabor bestätigten, dass Holzpartikel (Fichte) und Hanfschäben grundsätzlich gut verarbeitbar sind; aber die Vorversuche zeigten letztlich durchgehend zu langsame Festigkeitsentwicklungen dieser Sonderbetone, die so für den Einsatz in der industriellen Fertigteilproduktion mit ihren schnellen Taktzeiten (noch) nicht geeignet sind.[4]

Daraus folgte für die Bauteilentwicklung eine Änderung: Die Funktionsmodelle wurden mit optimierten Leichtbetonen ohne organische Zusätze hergestellt, um die bautechnischen Funktionen des Fassaden-Sandwichelements (FSE) zuverlässig nachweisen zu können. Parallel liefen an der ­Technischen Hochschule Nürnberg Materialexperimente mit verschiedenen organischen Sekundärmaterialien, calzinierten Tonen und Pflan­zenkohle sowie alternativen Bindemitteln.[5]

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Der zweite große Entwicklungsstrang auf der Materialebene war die Untersuchung von Alternativen zu marktgängigen Hochleistungsdämmstoffen wie Vakuumisolationspaneele (VIP) sowie einer nanostrukturierten Dämmung auf Basis von synthetisch amorpher Kieselsäure. Hier erarbeitete der Verbundpartner [6] neuartige lignin­basierte Aerogele, um die angestrebte schlanke Bauweise auch mit regenerativen Rohstoffen erreichen zu können.

Der Forschungsfortschritt lag hier auch in der Prozesskette. Das Team identifizierte Soda-Lignin als geeigneten Rohstoff, entwickelte Lignin-Alginat-Hybrid-Aerogele und übertrug die Herstellung in größere Volumina. Gepresste Aerogelplatten konnten kohäsiv hergestellt werden und erreichten nach DIN EN 12667 Wärmeleitfähigkeiten im Bereich von etwa 0,024 bis 0,030 W/mK.

Eine große Herausforderung bei den Aerogelen stellt deren Feuchteempfindlichkeit dar. Mit einer C4F8-Plasmahydrophobierung und einer ligninbasierten In-situ-Beschichtung wurden Wege aufgezeigt, die das empfindliche Materialsystem näher an die Baupraxis heranführen.[7]

Fassadenbauteil und Leistungsprofil

Die Bauteilprüfungen bestätigten die technische Zielrichtung des Projekts. Für das Funktionsmodell (Lösungsstrategie I) wurde ein U-Wert von rund 0,23 W/mK [8] erreicht, bei einem Schalldämm-Maß von etwa 40 dB.[9]. Zudem zeigte sich ein Brandverhalten, das in Richtung nicht brennbarer beziehungsweise A1-naher Systeme weist. [10]

Durch die Verwendung von textiler Bewehrung, die vorwiegend die horizontalen Lasten aufnimmt und mittels Schubbewehrungen die beiden massiven Deckschichten verbindet, kann nach derzeitigem Forschungsstand eine Gesamtbauteilstärke von 17 cm erreicht werden. Bei ­diesem Ansatz kann die 30 mm starke Vakuum­dämmung mit 20 mm starken mikroporösen Silika-Dämmplatten ummantelt werden und ist somit auch schon bei der Montage geschützt.

Gerade diese Kombination ist für die Sanierung im Bestand entscheidend. Schlanke Geometrie, guter Wärmeschutz, ausreichender Schallschutz und belastbares Brandverhalten müssen im rea­len Gebäude zusammengedacht werden. Das in EnOB: HLBhybrid entwickelte Fassadenbauteil wird deshalb nicht als Einzelprodukt, sondern als Systemlösung verstanden.

Serielle Sanierung

Der größte Transfernutzen des Forschungsvorhabens liegt in der seriellen Sanierung des Gebäudebestands. Das Projekt zeigt, dass vorgefertigte Fassaden-Sandwichelemente nicht nur energetisch leistungsfähig sind, sondern gerade auch effektiv Raumgewinne erzeugen können. Die Reduktion der Wanddicke gegenüber herkömmlichen Aufbauten – beispielsweise auf Basis der Holzrahmenbauweise – führt zu zusätzlicher Nutzfläche und ist damit unmittelbar wirtschaftlich relevant. [11]

Hinzu kommt die industrielle Perspektive: Serienfähige Bauteile mit standardisierten Details reduzieren Planungs- und Montageaufwand. EnOB: HLBhybrid liefert dafür eine technisch belastbare Basis, weil die Entwicklung konsequent auf Vorfertigung ausgerichtet wurde. Für die Sanierung großer Bestände ist genau dies ein entscheidender Hebel.↓

Eignung der Lösungsstrategien im baulichen Kontext

Der Herstellungsprozess der Lösungsstrategie I ist in einem Betonfertigteilwerk gut umsetzbar. Die im Rahmen der Lösungsstrategie II entwickelten additiv gefertigten Bauelemente können hingegen auch in Fertigungsstraßen von Holzbau-Unternehmen hergestellt werden. Somit erweitert sich das Einsatzfeld und bietet Vorteile auch im Bereich Neubau von Wohnungen und Büros sowie beim seriellen und modularen Bauen.

Die Bauteilentwicklung (Lösungsstrategie I) wurde insbesondere mit Blick auf praktikable Einsatzmöglichkeiten, Montageabläufe auf der Baustelle und Gestaltungsmöglichkeiten beleuchtet.

Bei der Randausbildung soll ein leichter Austausch von Elementen möglichst Priorität haben. Damit wären Konzepte mit einer Art Nut-und-Feder-­Fügung/-Befestigung zunächst nachgeordnet zu betrachten. Wichtig im Bereich der Randausbildung ist die kraftschlüssige Verbindung der beiden Deckschichten aus Leichtbeton. Bei den Fügungsmöglichkeiten horizontal und vertikal ist zu unterscheiden u. a. zwischen geradem und versetztem Stoß. Bei einem Versatz muss insbesondere die Stabilität der Dämmung und der möglichen textilen Randbewehrung geprüft werden. Für den Verschluss der Fugen ist der Einsatz von speziellen Profilen und Dichtungsmassen denkbar.

Ergänzend erfolgten auch erste Überlegungen zur Rand- und Eckausbildung mit Einbindung von Fensterelementen. Im Bürobau ist der Anteil der Fensterflächen meist größer als ein Drittel der dem Raum zugeordneten Fassadenfläche. Dies ist auch im Wohnungsbau – bezogen auf einzelne Räume – oftmals vorauszusetzen. Daraus ergibt sich für einen zweckmäßigen Einsatz der Fassaden-Sandwichelemente u. a. die Kombination von Lüftungs- und Klimageräten mit Fensterelementen. Die Positionierung von Elektro- und Datendosen lässt sich mit Bodentanks (Bürobau) und vertikalen Installationssäulen umsetzen. Werden Fenster mit Brüstung eingesetzt, ist es konstruktiv besser und auch wirtschaftlicher, die geschosshohen Bauteile mit Brüstung vorzufertigen und dort z. B. dezentrale Lüftungsgeräte und Elektroinstallation zu integrieren.

Neben dem grundsätzlichen Aufbau des Fassaden-Sandwichelementes wurden vier Varianten der geometrischen Positionen der FSE zum Tragwerk aufgezeigt:

- eingestellt

- davor durchlaufend

- Deckenblende

- Deckenblende (additiv)

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Die Lage zum Tragwerk berührt konstruktive, bauphysikalische und gestalterische Anforderungen. Zentral ist die Handhabung des Wärmeschutzes im Bereich der Geschossdecken bzw. der tragenden Wände in Schottenbauweise. Die Ausführung der Befestigung am Tragwerk (Geschossdecken) soll mit marktüblichen Systemen erfolgen. Zur Reduzierung von Wärmebrücken sind thermisch optimierte Befestigungen (Thermoanker) einzusetzen. Darauf aufbauend wurden Renderings des Fassaden-Sandwichelements – auch gerade im Einsatzbereich Gebäudesanierung und Neubau – erarbeitet.

Robuste und resilient konzipierte Grundkonstruktionen von Neubauten ermöglichen es, sich im Laufe ihres Lebenszyklus flexibel an veränderte Anforderungen anzupassen. Die Trennung von Tragstruktur und nichttragenden, hocheffizienten Fassadenelementen leisten einen wesentlichen Beitrag, in Zukunft mehr Gebäudesubstanz erhalten zu können.

Ökologie und Wirtschaftlichkeit

Ein wesentliches Ergebnis des Forschungsprojekts sind die ökologischen Vorteile durch Flächen­effizienz. Schlankere Aufbauten reduzieren den Materialeinsatz und können damit den Bedarf an Primärenergie sowie die Treibhausgas­emissionen senken. Die Projektarbeiten zeigen zugleich, dass die ökologische Bewertung immer vom jeweiligen Materialmix abhängt und „konventionelle“ sowie neue Systeme deutlich gegeneinander abgegrenzt werden müssen.[12]

Wirtschaftlich bleiben vor allem die Hochleistungsdämmstoffe ein limitierender Faktor. Im Rahmen des Projekts wurde deutlich, dass insbesondere Aerogel- und VIP-Lösungen derzeit noch mit hohem Produktionsaufwand verbunden sind. Genau an dieser Stelle wird der Blick auf die Arbeiten von Fraunhofer UMSICHT wichtig: Dort hat man bereits einen günstigeren Herstellungsprozess für Aerogel-Dämmstoffe entwickelt, mit dem Ziel, die Materialkosten und die Prozessaufwände auf ein Drittel der aktuellen Kosten zu senken.[13]

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Fazit und Ausblick

Für die serielle Sanierung ist das Zusammenspiel aus der Bauteilentwicklung in EnOB: HLBhybrid und von weiterer Aerogel-Forschung besonders interessant. Wenn Aerogele künftig günstiger und industriell einfacher herstellbar werden, verschiebt sich das Kosten-Nutzen-Verhältnis weiter zugunsten sehr schlanker, hochdämmender Fassadenelemente. Dann könnten Bauteile, die heute noch als High-Tech-Lösung gelten, in größeren Sanierungsprogrammen deutlich wirtschaftlicher werden.

Das Forschungsprojekt liefert dafür den bautechnischen Nachweisrahmen: Materialoptimierung, konstruktive Entwicklung, Vorfertigungslogik und ökologische Bewertung wurden zusammengeführt. Für Architekten, Planer und Wohnungs­unternehmen ist das ein wichtiger Schritt, weil gezeigt wird, dass serielle Sanierung nicht nur als Standardisierung, sondern auch als technologische Aufwertung des Bestands gedacht werden kann.

EnOB: HLBhybrid leistet einen belastbaren Transferpfad von der Forschung in die Baupraxis, in dem Materialforschung, Bauteilentwicklung und Anwendungsperspektive zu einem Ansatz verbunden wird, der für die serielle Sanierung im deutschen Wohnungsbestand hohe Relevanz besitzt. Die Projektergebnisse zeigen, wie sich architektonische Anforderungen, technische Leis­tungsfähigkeit und industrielle Vorfertigung zu einer zukunftsfähigen Fassadenlösung zusammenführen lassen.