INFINITE – Vorgefertigte All-in-One-Technologien

Die Mehrheit der europäischen Gebäude ist nicht ausreichend gedämmt und benötigt aufgrund dessen eine beträchtliche Menge mehr Energie, um ganzjährig behagliche Innenraumtemperaturen zu erreichen.

Die Simulationsergebnisse des Instituts für Immobilien, Bauen und Wohnen GmbH (IIBW) zeigen, dass bei einer Erhöhung der Sanierungsrate von 1,5 % (Stand 2022) auf 2,8 %, beginnend mit dem Jahr 2030, die Sanierung des gesamten thermisch unzureichenden Bestandes bis 2040 möglich ist. Mit der gleichzeitigenUmstellung auf erneuerbare Energien kann so die Dekarbonisierung des Gebäudebestandes ebenfalls bis 2040 erreicht werden. Das „Horizon 2020“ geförderte EU Projekt INFINITE beschäftigt sich diesbezüglich mit der Entwicklung von vorgefertigten All-In-One-Bausätzen, die bei der Sanierung dieser Bestandsbauten zum Einsatz kommen können.

Verbindung zwischen Industrialisierung und Digitalisierung

Das Projekt INFINITE hat sich der Innovation und Entwicklung von vorgefertigten All-In-One-Technologien verschrieben, die es bei der Sanierung der Gebäudehülle ermöglichen, den Energiebedarf zu vermindern, während die Lebensdauer erhöht und der Zeit- und Kostenaufwand einer Nachrüstung reduziert wird.

Das Konzept basiert auf dem Ansatz der „Renovation 4.0“, welcher eine Verbindung zwischen der Industrialisierung und der Digitalisierung anstrebt, um maßgeschneiderte, umweltverträgliche, leistbare und kosteneffiziente Nachrüstungslösungen für die Sanierung von bestehenden Gebäuden anzubieten. Bei den INFINITE All-In-One-Bausätzen werden zur Darstellung der verlängerten Lebensdauer, sowie der verbesserten Gebäudehülle, in allen Phasen des Sanierungsvorganges die Lebenszykluskosten (LCC) und die Lebenszyklusanalyse (LCA) betrachtet und dokumentiert.

INFINITE wird über das Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union „Horizon 2020“ gefördert. Neben den All-In-One-Technologien wird INFINITE die Einrichtung einer Beobachtungsstelle für Industrialised Deep Retrofit (IDR) als anerkannte Plattform fördern und damit die Bemühungen und weltweiten Erfahrungen im Bereich der kohlenstoffarmen Gebäudesanierung in den Mittelpunkt zu stellen.

Technologien

Bei INFINITE werden fünf industrietaugliche vorfertigungsfähige Komplettbausätze (All-in-One-Technologien) für Gebäudehüllen entwickelt und in Form von Mock-ups und an bestehenden sanierungsbedürftigen Gebäuden an unterschiedlichen Standorten in Europa getestet und mit einem Monitoring überwacht. Damit wird auch überprüft, wie weit das Klima Einfluss auf die Performance hat. Ziel ist es die sanierten Bestandsgebäude mit den All-In-One-Bausätzen auf den Standard der Nullenergiehäuser zu heben.

Das Konzept besteht aus einer modularen Holz-Rahmen-Konstruktion, die an den Außenflächen des Gebäudes installiert werden kann, um sowohl die Energieeffizienz und Behaglichkeit im Gebäude zu verstärken und zeitgleich den Kosten- und Zeitaufwand für die Sanierung der Gebäude zu reduzieren. In jedes Modul können – je nach Anforderung- ein oder mehrere technische Komponenten, wie unten dargestelltintegriert werden:

Umweltverträgliche und begrünte Gebäudehüllenlösungen(GREEN)
Energie- und Frischluftverteilungssystem
Intelligente Fenster/Verglasung
Gebäudeintegrierte Photovoltaikanlage (BIPV = Building Integrated Photovoltaics)
Solarthermische Erzeugungsanlage (BIST = Building Integrated Solar Thermal)
Building Information Modeling (BIM)
Anpassungsfähiges Gebäudemanagementsystem (BMS = Building Management System)

Das Design der Bausätze wird durch die Multi-Nutzer-BIM-Plattform mit einer inkludierten Palette an Plugins für LCA (Lebenszyklusanalyse) / LCC (Lebenszykluskosten), Energie und Komfort, sowie Organisation und Management (O&M) vereinfacht. Dieser Planungsrahmen zielt darauf ab, den Planungs- und Umsetzungsprozess zu erleichtern und eine bessere Koordination der Beteiligten zu gewährleisten und die ökologische, sowie wirtschaftliche Leistung des Gebäudes zu verbessern.

Mock-ups & Installation an den Testgebäuden

Für alle Bausätze wurden Testmodelle, sogenannte Mock-ups, entworfen und in unterschiedlichen Testungseinrichtungen installiert. Die umweltverträglichen und begrünten Gebäudehüllenlösungen, ausgeführt als Living Wall System Fytotextile® von Terapia Urbana, wurden als Teil eines größeren Fassadenmodells getestet. Dafür nutzte man das “FlexiLAB”, die Freiluftlaboreinrichtung von Eurac Research, wie in Abb. 1 dargestellt, um die Prototypen bestehend aus der vorgefertigten Holz-Rahmen-Konstruktion und den jeweils dazu entwickelten Bausätzen (GREEN, BIPV, BIST-Bausatz) zu testen. Mit mehreren installierten Sensoren wurden die Leistungen der verschiedenen Bausätze während des Betriebs von August 2022 bis heute überwacht und Temperatur, Feuchtigkeit, Luftgeschwindigkeit, Wasserverbrauch und PV-Energieerzeugung dokumentiert.

Abb. 1: Mock-up „FlexiLab“ (© Eurac Research)

Ergebnisse aus dem Mock-up

Die Freiluftlaboreinrichtung „FlexiLAB“ oder auch Facade System Interaction Lab von Eurac Research wurde gebaut, um das Installations- und Wartungsverfahren, die Betriebsphase und die Vorleistungen unter realen Bedingungen über einen langen Zeitraum zu bewerten. Der Messzeitraum findet von August 2022 bis heute statt.

Das Ziel war:

Reale Umweltdaten für drei verschiedene vorgehängten Fassadenelemente zu überwachen.
Bewertung der Unterschiede im Verhalten des Hinterlüftungsspalts bei drei verschiedenen vorgehängten Fassadenelementen.
Bewertung der Effizienz der BIPV-Paneele mit 5 verschiedenen Farben.
Bewertung des Verhaltens der GREEN-Fassade in zwei verschiedenen Ausrichtungen (Süden und Osten).
Vergleich des Verhaltens der verschiedenen Lösungen.

Die folgenden Messungen wurden durchgeführt:

Temperatur im Hinterlüftungsspalt (CAV – Cavity) und Oberflächentemperaturen an der Holz-Rahmenkonstruktion (WS – Wood Facade) und auf der Rückseite der Verkleidungen (BC – Backside Cladding)
Relative Luftfeuchtigkeit und Luftgeschwindigkeit im Hinterlüftungsspalt (CAV – cavity)
Wasserverbrauchs- und Regensensor für die GREEN-Fassade
Pyranometer zur Messung der Sonneneinstrahlung auf die Fassade
Wetterstation zur Überwachung von Temperatur (T) und relativer Luftfeuchtigkeit (RH) des Standorts
Elektrizitätsmessungen (Ampere, Spannung, Produktion)

Die Auswertung der Monitoring-Aufzeichnungen wurde in tägliche Daten und kumulierte Daten für ein Jahr kategorisiert, wobei der Fokus in diesem Artikel auf die Vergleiche zwischen der GREEN- und der BIST-Fassade gelegt wurde.

Die Abb. 2 zeigt die Veränderung der Oberflächentemperaturen der Holz-Rahmenkonstruktion (WS) zum Hinterlüftungsspalt orientiert und an der Rückseite der Verkleidung (BC) am heißesten Tag des Jahres. An diesem Tag konnten Oberflächentemperaturen-Differenzen an der zum Hinterlüftungsspalt orientierten Holz-Rahmenkonstruktion, von bis zu 11 °C an der Südfassade und bis zu 10 °C an der Ostfassade, zu sehen in der Abb. 2, dokumentiert werden. Betrachtet man am heißesten Tag des betrachteten Jahres die Oberflächentemperatur der Rückseite der vorgehängten Fassadenkonstruktion, in diesem Fall die BIST-Fassade (Solarthermische Erzeugungsanlage) und der GREEN-Fassade (umweltverträgliche, begrünte Gebäudehüllenlösung), kann man eine Differenz von bis zu 18 °C an der Süd-Fassade und bis zu 14 °C an der Ost-Fassade erkennen.

Während des Monitorings konnte verzeichnet werden, dass die Temperatur an der begrünten Fassade (GREEN) tagsüber oft geringer ist als die Außenlufttemperatur, welche in der Abb. 2 als „Temp_EXT“ oder unter der Markierung „External“ dargestellt ist.

Abb. 2: Süd- und Ost-orientierte tägliche Temperaturveränderungen von der Oberflächentemperatur an der Holzrahmenkonstruktion (WS – Wood structure) und der Rückseite der vorgehängten Fassade (BC – backside cladding), sowie der Außenlufttemperatur (© Eurac Research)

In der nächsten Betrachtung (Abb. 3) wurde der Fokus auf die Ergebnisse der Stunden konzentriert, in denen die relative Luftfeuchtigkeit im Hinterlüftungsspalt, der Rückseite der Fassadenverkleidung (BC) und der, dem Hinterlüftungsspalt zugewandten Holz-Rahmenkonstruktion (WS) höher waren, als die äußeren Bedingungen (Temperatur (T) ist größer als die Außenlufttemperatur (T ext), und relative Luftfeuchtigkeit (RH) ist höher als die relative Luftfeuchtigkeit in der Umgebung (RHext). Diverse Ergebnisse ergaben sich aus dem Vergleich der INFINITE-Bausätze (BIST & GREEN) bei unterschiedlichen Orientierungen und Sensorpositionen.

In der Abb. 3 befindet sich dazu der Auszug der Ergebnisse, in Form von der südlich ausgerichteten Fassade während des „täglichen“ Zeitraums von 07:00 bis 19:00 Uhr, dargestellt. In dieser Grafik können die Differenzen von der Temperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit an den Fassaden GREEN und BIST unter Miteinbeziehung der äußeren Lufttemperatur und relativen Luftfeuchtigkeit betrachtet werden.

Abb. 3: Temperaturen und relative Luftfeuchte bei der jährlichen Betrachtung und Süd-Orientierung (BC, WS, CAV) (© Eurac Research)

Beim Vergleich der GREEN-Fassade und der BIST-Fassade mit den äußeren Bedingungen (externe Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit), bei denen die Temperatur und die relative Luftfeuchtigkeit gemessen werden, wurden die folgenden Schlussfolgerungen diskutiert:

Wie erwartet, weist die GREEN-Fassade im Vergleich zu einer BIST-Fassade niedrigere Temperaturen sowohl im BC als auch im WS auf; die Unterschiede zwischen der begrünten Fassade und der BIST-Fassade sind relativ gering.
Die GREEN-Fassaden Temperatur und relative Luftfeuchte sind die meiste Zeit über niedriger (im Tagesverlauf) bzw. höher (in der Nacht) als die äußeren Bedingungen.
Die BIST-Fassade hat in jedem Fall eine höhere Temperatur und eine niedrigere relative Luftfeuchtigkeit als die begrünte Fassade und die äußeren Bedingungen.
Die Ergebnisse für die „täglichen“ Stunden von 07:00 bis 19:00 Uhr zeigen aufschlussreiche Vergleiche der Temperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit zwischen der GREEN-Fassade, der BIST-Fassade und der Außentemperatur.

Betrachtet man den Temperaturvergleich zwischen der GREEN-Fassade und der BIST-Fassade auf der Grundlage der „Delta-Temperatur“ bzw. Temperaturdifferenz, erhält man folgende Ergebnisse:

Die jährlichen Daten zeigen, dass die Temperaturdifferenz zwischen der begrünten Fassade und der BIST-Fassade während des Jahres meist unter 5 °C liegt.
Die Aufzeichnungen zu den „täglichen“ Stunden von 07:00 bis 19:00 Uhr stellen spannende Vergleiche zur Temperaturdifferenz zwischen der GREEN-Fassade und der BIST-Fassade dar.
Das „tägliche“ Verhalten zeigt, wie sich die Temperaturdifferenz zwischen GREEN-Fassade und der BIST-Fassade im Bereich von 5-10 °C und über 10 °C

Die entworfenen und getesteten INFINITE-Bausätze werden im nächsten Schritt zur Renovierung von bestehenden Gebäuden in Frankreich, Italien und Slowenien angewandt und für ein Jahr mit einem Monitoring begleitet.

Literaturverzeichnis

[1] About Infinite – Technologies and Solutions – INFINITE Building Renovation

[2] Amann, W. (2022). Wie schaffen wir die Dekarbonisierung unserer Gebäude bis 2040? BauZ! Wiener Kongress für zukunftsfähiges Bauen am 11./12.05.2022. Tagungsband. IBO-Verlag. http://iibw.at/de/forschungs-datenbank/download/file?fid=48.205