Während bisher der Aufwand für die Beheizung von Gebäuden die Debatte um die Gebrauchstauglichkeit im Sinne guter Innenraumklimata bestimmte, gewinnt der sommerliche Wärmeschutz zunehmend an Bedeutung. Außenliegende Verschattungssysteme beschreiben einen thermodynamisch grundlegend richtigen Lösungsansatz, den Energieeintrag im Gebäude zu reduzieren. Gleichwohl sind sie material- und kostenintensiv in Installation, Betrieb und Unterhaltung. In ihrer Masterarbeit befasste sich eine Studentin der Forschungsgruppe FLEX intensiv mit einem innovativen Lösungsansatz: Bi-Layer-Furniere, die die Verschattung von Räumen über ihre hygroskopischen Eigenschaften eigenständig steuern.
Alternative Verschattungslösungen
Da die Grundidee der Verschattung von Gebäuden zur Limitierung des Eintrags von Sonnenenergie richtig ist und die Reduktion der Fensterflächenanteile in der baulichen Umsetzung unverhältnismäßige Aufwände auslösen würde, entsteht ein Bedarf nach alternativen Verschattungslösungen, die weniger kostenaufwendig in der Herstellung und preiswerter in der Unterhaltung sind. Der weltweite Bedarf ist immens. Jährlich werden mehrere Millionen Quadratmeter Vorhangfassaden montiert.
Kerngedanke
Die Arbeit verfolgt das Ziel, die Grundlagen für neuartige, temperatur- und feuchtesensitive Verschattungslösungen aus Holz für den Einsatz im Fassadenbereich zu entwickeln. Auf der Basis der ingeniösen, aktiven Nutzung der gemeinhin nachteilig wahrgenommenen hygroskopischen Eigenschaften von Holz sollen Lamellensysteme entwickelt werden, die nicht zentral gesteuert werden (müssen), ohne aufwendige Mess- und Regelungstechnik sowie elektromechanische Antriebe auskommen und somit weder Hilfs- bzw. Antriebsenergie benötigen noch mit erheblichem Aufwand verkabelt werden müssen.
Der Lösungsansatz: Bi-Layer-Furniere
Die Kernidee fokussiert auf sogenannte Bi-Layer-Furniere, in denen unterschiedliche Holzarten, in variierender Faserrichtung, kombiniert werden, um feuchteinduzierte Verformungen zu bewirken, die – ähnlich dem Konzept eines Bimetall-Streifens – übergangslos verschiedene Formzustände annehmen können.
Phänomen Tannenzapfen wird zunutze gemacht
Die bionische Inspiration zum Projekt lieferte das feuchtigkeitsbedingte Phänomen des Öffnens und Schließens von Tannenzapfen. Um den Prozess kalkulier- und reproduzierbar zu machen, soll die Anatomie von Holzfurnieren mithilfe digital-bildgebender Verfahren konzeptionell auf ein neues Niveau entwickelt werden. Aufbauend auf einem individuellen Datenset für jedes Furnier ist geplant, die Eigenschaften so zu modifizieren, dass in Kombination zweier Furniere durch das Außenraumklima (Temperatur und Feuchte sind direkt miteinander „verknüpft“) gleichmäßige, vorhersagbare Verformungen generiert werden können, die einen hocheffizienten Wärmeschutz bieten. Vorarbeiten zu dem Thema lieferten Poppinga und Speck (Universität Freiburg)[1], Menges und Knippers (Universität Stuttgart)[2] sowie Rüggeberg (ETH Zürich) [3].
Recherche & vertiefende Experimente
Die Thesis basiert methodisch auf einem klaren Konzept von einer aufeinander aufbauenden, systematischen Vorgehensweise. Der erste Teil besteht aus einer Recherche und anschließenden vertiefenden Experimenten bezüglich gezielter Analyse unterschiedlicher Parameter zur Beschreibung des Materialverhaltens von Holz unter verschiedenen Temperatur- und Feuchte-Szenarien. Die Kombinatorik und präzise Analyse der Eigenschaften unterschiedlicher Hölzer in einem flächigen Verbund gibt die Möglichkeit, das natürliche Verhalten zu steuern.
Die Strategien setzen sich aus der Untersuchung der Holzstruktur durch die Generierung eines µCT-Scans als Mikrocomputertomografie sowie der Verformung von Holzfurnierproben bei unterschiedlicher Feuchtigkeit in verschiedenen Zeitabständen mithilfe eines Klimaschranks zusammen. Parallel dazu wurden die Biegezustände der jeweiligen Feuchtestadien von 40 bis 90 % rF (relative Luftfeuchtigkeit) per 3D-Scan aufgenommen, um diese anschließend für die Erzeugung eines computergestützten parametrischen Simulationsmodells zu nutzen. Mit diesem Ansatz können genau definierte Werte das Krümmungsverhalten der Elemente bestimmen und je nach gewähltem Parameter das gewünschte Ergebnis generieren.
Abschließend wurde das gestalterische Potenzial der entwickelten Lösung anhand der Projektion auf eine Musterfassade untersucht. Hierbei können die Parameter wie die Dimension, Form und Anordnung beliebig reguliert werden. Es soll also aufgezeigt werden, wie die Forschungsergebnisse in die Gestaltung einer Fassade als Fassadenstudie einfließen können. Damit sollen Möglichkeiten und Grenzen des Ansatzes in der praktischen Anwendung veranschaulicht werden.
Holzschnittbereiche
Wie stark ein Holzbauteil schwindet oder quillt, ist bekanntermaßen davon abhängig, aus welchem Teil des Baumstammes es geschnitten wurde und wie die Zellen angeordnet sind. Der Aufbau zeigt ein äußerst ausgebildetes anisotropes Materialverhalten auf. Die Richtungsabhängigkeit spiegelt sich in den Bereichen longitudinal (in Richtung der Fasern), radial (quer zu den Jahresringen) und tangential (längs zu den Jahresringen) wider.
Bei Hölzern, die aus dem tangentialen Bereich (liegende Jahre) geschnitten wurden, tritt das Quell- und Schwindverhalten daher am stärksten auf. Deutlich schwächer findet dieses bei Hölzern aus der radialen Zone (stehende Jahre) und am wenigsten in Längsrichtung der Fasern statt.[1]
Unterschiedliche Quell- und Schwindwerte je Holzart
Die Quell- und Schwindwerte unterscheiden sich dabei von der jeweiligen Holzart und deuten auf deren Stehvermögen. Je nach Anwendungsbereich kann daher ein am besten geeignetes Holz mit entsprechenden Werten ausgewählt werden. Das Ziel (vor dem Hintergrund der anhaltenden und immer intensiver werdenden Ressourceneffizienzdebatte) sollte darin bestehen, das gesamte Material durch eine genaue (automatisierte) Analyse der individuellen Mikrostruktur zu nutzen.
Umgebungsfeuchte: Furnierarten zeigen unterschiedliche Reaktionen
Aufgrund unterschiedlicher Roh- und Darrdichten lassen sich die Furnierarten in Harthölzer und Weichhölzer unterteilen, die verschiedene Reaktionen auf die Umgebungsfeuchte zeigen. Liegt die Angabe der Darrdichte über 550 kg/m3 handelt es sich um ein Hartholz, alles darunter wird als Weichholz eingestuft.
So wurde das Feuchteverhalten untersucht
Das Feuchteverhalten wurde mit ersten experimentellen Versuchen von Furnierproben mithilfe einer Wassersprühflasche und einem Feuchtemessgerät untersucht. Die Proben mit einem Maß von 10 × 12 cm in Quer-Faserrichtung wurden in eine speziell entwickelte Bodenhalterung geklemmt und von einer Seite mit Wasser besprüht. Anschließend wurde nach und nach die Feuchtedosis erhöht, sodass man eine Entwicklung vom Anfangsstadium bis etwa 30 % Feuchtigkeit fotografisch dokumentieren konnte.
Hierbei wurde deutlich, dass die Weichhölzer (Kiefer und Limba) eine stärkere Probenkrümmung ausbildeten als die dichteren Harthölzer (Eiche und Nussbaum). Den Ergebnissen nach kann man allgemein einschätzen, dass die Hartholzproben resistenter gegen Feuchte sind als die Weichhölzer, aber trotzdem eine ausgeprägte Biegereaktion aufzeigen (Abb. 1, 2).
Um die Feuchtereaktion in weiteren Experimenten mit gezielt ausgewähltem Furnierholz genauer zu untersuchen, wurden die Experimente von einer lokalen Furnier-Handelsgesellschaft mit Furnierproben unterstützt. Deren Anlage verfügt über eine große Halle, wo verschiedenste Furnierarten getrocknet und gelagert werden. Für den nächsten Untersuchungsschritt wurden gemesserte und tangential geschnittene Harthölzer (Lärche, Eiche, Esche und Buche) sowie die Weichhölzer Fichte (gemessert, Tangentialschnitt), Kiefer (gemessert, Radialschnitt) und Birke (geschält) gewählt. Mit dieser Auswahl können gleichzeitig die verschiedenen Furnierverarbeitungsarten geprüft und auch in der nächsten Phase in Kombination getestet werden.
Faserrichtung bestimmt die Art der Biegung
Bei Feuchtezufuhr bestimmt die Faserrichtung die Art der Biegung des Holzfurniers. Die Holzfasern als lang gestreckte Holzzellen dienen somit nicht nur der Festigung des Holzes, sondern fungieren als „Muskeln“, die die Struktur in eine aktive Bewegung versetzen. Das Quellen wird dabei durch die Bindung von Wassermolekülen nur entlang der Faserstruktur der Zellulosefasern zwischen dem stabilisierenden Lignin eingeleitet.
Probiert man diesen Prozess durch Feuchtezufuhr auf einer Seite des Furnierblatts aus, quellen die Fasern auf und dehnen den Abschnitt quer zur Faserrichtung mehr als in Längsrichtung. Im Ergebnis wölbt sich das Furnier in Richtung der nassen Seite, weil dort die Wasserbindung zuerst stattfindet.
Der Bi-Layer-Ansatz
Die zuvor beschriebenen und für die Forschungsarbeit äußerst relevanten Parameter wurden im nächsten Abschnitt als Strategie in Form eines Bi-Layers, also eines doppelschichtigen Systems, miteinander kombiniert (Abb. 3). Dadurch kann die Biegerichtung und die Reaktion der jeweiligen Schicht auf die Umgebungsfeuchte eingestellt und anschließend ohne mechanische und elektrische Einwirkung selbstständig gesteuert werden. Zuvor konnte die Biegerichtung des Furnierblatts nur durch das Besprühen mit Wasser von einer Seite bestimmt werden.
Wirkt jedoch in der Anwendung im Außenbereich von allen Seiten Feuchtigkeit ein, kann man nicht genau vorhersagen oder steuern, in welche Richtung sich das Element biegen wird. Diese Gewissheit über das Krümmungsverhalten ist äußerst wichtig in der Nutzung des Elements als Verschattungspaneel, um bei hoher Luftfeuchte durch Öffnung der Fassade möglichst viel Lichtdurchlass zu ermöglichen und bei niedriger Luftfeuchte und starkem Sonneneinfall das Gebäude durch die Zurückbiegung der Elemente zu verschatten.
Aktive und passive Layer
Dieses Prinzip kann mithilfe der Verbindung eines aktiven und passiven Layers erreicht werden. Die aktive Schicht bildet eine Holzart, die einen hohen Quell- und Schwindwert besitzt und somit viel Feuchtigkeit aufnehmen kann. Bei der passiven Schicht handelt es sich um eine feuchteresistentere Holzart, die möglichst wenig auf die Umgebungsfeuchte reagiert und starr bleibt. Bei hoher Luftfeuchte im Quellvorgang „schiebt“ der aktive Layer somit das Element in Richtung des passiven Layers und beim Schwindvorgang wieder zurück in die entgegengesetzte Richtung. Innerhalb des Bi-Layer-Verbunds ist gleichzeitig auch die Ausrichtung der Fasern und der Holzbereich (tangential/radial), aus dem das Furnier gewonnen wurde, zu beachten.
Anwendung nur für den Außenbereich
Im Zuge der Weiterentwicklung der gewonnenen Erkenntnisse im Rahmen der Masterthesis wurde die Anwendung des Systems nur auf den Außenbereich als Verschattungssystem beschränkt. Daher wurden im nächsten Schritt nur Holzarten in Betracht gezogen, die sich für den Außenbereich eignen. Dazu gehören Eiche, Lärche und Eukalyptus. Den höchsten tangentialen Quell- und Schwindwert dieser Selektierung besitzt die heimische Holzart Eiche mit 0,36 %. Zusätzlich besitzt diese auch hohe Festigkeits- und Elastizitätswerte (13.000 N/mm2) [1] und ist witterungsbeständig.
Auch komplett unter Wasser, zum Beispiel als Holz-Pfähle, auf denen die kanalseitigen Gebäudefassaden der Stadt Venedig errichtet wurden, bestätigt sich deren Dauerhaftigkeit (Klasse 2).[1] Die tangential geschnittene (liegende Jahre) Eiche fungiert somit im Bi-Layer-Verbund als aktive Schicht.
FSC-zertifiziertes Eukalyptusholz für die passive Schicht verwendet
Für die passive Schicht kommt der Eukalyptus zum Einsatz. Diese Holzart wird häufig im Gartenmöbelbau, als Terrassendielen oder Fensterrahmen verwendet, da sie ebenfalls äußerst robust, witterungsfest und resistent gegen Pilze ist. Beim Eukalyptus handelt es sich um eine aus den australischen und tasmanischen Urwäldern stammende Baumart, daher wäre es unverantwortlich, das Holz aus Raubbauplantagen zu verwenden. Als Alternative kann FSC-zertifiziertes Eukalyptusholz im europäischen Waldgebiet des spanischen Galiziens nachhaltig angebaut werden. Bemerkenswert ist auch dessen schnelles Wachstum mit 50 cm pro Jahr, das eine Wuchshöhe von bis zu 60 m ermöglicht. Außerdem besitzt Eukalyptus mit bis zu 910 kg/m3 eine höhere Rohdichte als Eiche (770 kg/m3) und eignet sich damit sehr gut für die widerstandsfähige Schicht im Bi-Layer. Damit diese noch weniger auf die Feuchte reagiert, wurde das Furnier in radialer Schnittausführung gewählt. Auch mit der interessanten hellrötlich-braunen Farbigkeit und sanft schimmernden Maserung bildet Eukalyptus ein harmonisches Zusammenspiel mit dem hell- bis mittelbraunen Eichenfurnier.
Mikroskopische Holzstruktur
Um die strukturellen Bestandteile der beiden Laubhölzer des Bi-Layers Eiche und Eukalyptus in Bezug auf dessen Feuchtereaktionen zu erkunden und somit an Aussagekraft der Forschungsarbeit zu gewinnen, erfolgte ebenfalls eine mikroskopische Untersuchung. Dafür wurde von der Poliklinik für Zahnerhaltung und Parodontologie des Universitätsklinikums Leipzig Unterstützung geleistet und von dem Forschungsteam eine Mikro-Computertomografie(µCT)-Scanaufnahme ermöglicht. Die Untersuchung im Zeitraum von einem Monat konzentrierte sich auf den Vergleich von trockenen und aufgefeuchteten Proben. Das Ergebnis der gescannten Furnierproben zeigt im Quer- und Längsschnitt sowie als 3D-Modell sehr klare und detaillierte Bildaufnahmen (Abb. 4).
Mithilfe dieser Darstellungen kann der komplexe „Organismus“ der zwei Hölzer sehr gut veranschaulicht und verstanden werden. Da sich optisch keine Unterschiede zwischen den trockenen und feuchten Proben zeigten, wurde eine Analyse der Porengrößen jeweils für beide Furnierarten angefertigt. Diese zeigten bisher sehr unterschiedliche Verhaltensmuster in der Volumenänderung der Poren. Um eine statistische Sicherheit zu erreichen, müssten zukünftig mehr Proben untersucht werden. Der erste Einblick und Untersuchungsansatz der Holzstruktur öffnet also viele interessante und noch zu erkundende Sachverhalte.
Klimaschrankversuche
Über die vorerst angewendete Untersuchungsstrategie des Bi-Layer-Prinzips mithilfe von Wassersprühflaschen konnte die Feuchtigkeit nur geschätzt den Holzproben zugeführt und über ein Feuchtemessgerät die Holzfeuchte abgelesen werden. Für die Anwendung der Holzelemente im Außenbereich ist jedoch eher die in der Umgebung herrschende Luftfeuchtigkeit und wie diese auf das Holz einwirkt von hoher Bedeutung. Daher wurden die Experimente in einen Klimaschrank mit präzisen Messverfahren verlagert.
Für die Untersuchungen wurde eine konstante Temperatur von 20 °C als durchschnittliche Sommertemperatur in Deutschland gewählt. Diese schafft gleichzeitig gute klimatische Bedingungen für eine schnellere Luftfeuchteentwicklung, denn je wärmer die Lufttemperatur, desto mehr Wasser kann diese aufnehmen. In Bezug zur Temperatur wurden im Anschluss die herrschenden äußeren Luftfeuchtigkeiten beispielsweise des Standortes Berlin schrittweise von 40 bis 90 % rF (relative Luftfeuchtigkeit) eingestellt.
Um jedoch den Zeitpunkt der Umstellung des Feuchtegehalts im Klimaschrank zu bestimmen, muss im Vorfeld die Gleichgewichtsfeuchte der beiden zu untersuchenden Holzfurniere Eiche und Eukalyptus ermittelt werden. Wird das Furnier zu früh auf ein neues Klima eingestellt, kommt die Restverformung vom vorigen Feuchtestadium mit dazu und führt zu Ungenauigkeiten. Deshalb gilt: Solange das Furnier die Feuchte aufnimmt, steigt dessen Masse an. Wenn diese sich nicht mehr ändert, ist das Gleichgewicht erreicht, und man kennt den Zeitabstand der Anpassung.
Nach der Auswahl des entsprechenden Holzleimes (PUR-Leim) für eine schubsteife Verbindung der beiden Holzschichten sowie dem Aufbau einer Probenhalterung konnte die Befeuchtung der Proben im Klimaschrank beginnen. Beim Befeuchtungsprozess von 40 bis 90 % rF konnten unterschiedliche Biegebewegungen als Krümmung und Torsion untersucht werden. Dadurch konnte die Ausgangsthese auf Plausibilität überprüft werden (Abb. 5).
Gleichzeitig konnten die Biegezustände der jeweiligen Feuchtestadien per 3D-Scan erfasst werden, um ein parametrisches Simulationsmodell zu erzeugen (Abb. 6). Als Vorbereitungsmaßnahme für den Scan der Klimaschrankversuche ist die Erstellung von Targetpoints auf einem Hintergrundplakat essenziell. Dabei handelt es sich um Zielpunkte, die der 3D-Scanner beim Scanvorgang erfasst, um das Objekt bei jedem Scan in gleicher Position im Koordinatensystem zu platzieren (Abb. 7).
Parametrisches Modell
Im nächsten Schritt wurden die bearbeiteten und optimierten 3D-Scanmodelle in eine computergestützte Modellierungssoftware importiert und mit einem Simulations-Script (Abb. 8) verknüpft. Dies ermöglichte die Generierung einer algorithmischen Biegesimulation als Loft-Oberfläche, die zwischen den einzelnen Phasen der Furnierverformungen interpolieren kann. Die erstellte Loftfläche dient als Grundlage für die Projektion der Verschattungselemente auf eine Musterfassade. Diese kann am Fenster ausgerichtet, entsprechend skaliert und im Fassadenraster verteilt werden. Da die Innenräume auf der West- und Ostseite im Sommer der höchsten Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, wurde das digitale Skript um einen Parameter ergänzt, der die Anordnung mehrerer Verschattungselemente pro Fenster ermöglicht.
Grundsätzlich sollen die Verschattungselemente das Fenster bei geringer relativer Luftfeuchtigkeit und hoher Sonneneinstrahlung durch Schwinden vor dem Wärmeeintrag schützen (Abb. 9) und bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit und geringerer Sonneneinstrahlung durch Quellen die Fensterfront wieder öffnen (Abb. 10).
Innovationspotenzial
Der Einsatz erneuerbarer Ressourcen, der kontinuierliche Austausch des Materials mit dem Umgebungsklima und der geringe Materialverbrauch definieren die Kernelemente für eine nachhaltige und auf einer ingeniösen Nutzung natürlicher Phänomene basierende Verschattungslösung. Im Gegensatz zu den meisten bestehenden Technologien können die einzelnen Lamellen einfach ausgetauscht werden, was für minimale Instandhaltungskosten sorgt. Auch deren meteoaktive und geräuschlose Funktionalität würde zu einem besseren Raumklima beitragen. Der zu entwickelnde innovative Ansatz aus atmungsaktiver Holzbeschichtung und meteosensitivem Biegen von Bi-Layer-Lamellen birgt ein hohes disruptives Potenzial.