Die Umwandlung von Fassaden in aktive, anpassungsfähige Systeme steigert die Energieeffizienz und senkt den CO2-Fussabdruck von Gebäuden. Ein Beispiel ist das internationale Forschungsprojekt Flectuation, das moderne Fassadenelemente für den praktischen Einsatz entwickelt hat. Das Resultat ist «FlectoLine», ein innovatives Verschattungssystem.
«FlectoLine» nutzt elastische, scharnierlose Mechanismen für die Verformung, wodurch die mechanische Komplexität und die geometrischen Einschränkungen herkömmlicher starrer Systeme entfallen. Eine intelligente Steuerung, die auf Umgebungs- und Nutzerdaten reagiert und maschinelles Lernen integriert, sorgt für optimale Einstellungen in verschiedenen Szenarien.
«FlectoLine» demonstriert einen fortschrittlichen Ansatz zur Anpassung von Bestandsgebäuden an sich ändernde Umweltbedingungen und Nutzungserfordernisse. Die Integration gebäudeintegrierter Photovoltaik (BIPV) in die adaptiven Verschattungselemente kombiniert Energieerzeugung mit Einsparungen im Gebäudebetrieb und verbessert gleichzeitig den Innenraumkomfort. «FlectoLine» basiert auf über zehn Jahren Forschung an den Instituten ITKE und ITFT der Universität Stuttgart.
Adaptive Fassaden
Adaptive Fassaden stellen einen innovativen Ansatz in der Architektur dar, da sie sich aktiv an wechselnde Umweltbedingungen und Nutzerbedürfnisse anpassen. Durch den Einsatz von programmierten Materialien, fortschrittlichen Aktoren und Sensornetzwerken reagieren diese Systeme in Echtzeit. Sie optimieren die Energieeffizienz, steigern den Komfort und schaffen neue Interaktionen zwischen Menschen und ihrer Umgebung. Indem sie Sonneneinstrahlung, Belüftung und Wärmeleistung regulieren, tragen adaptive Fassaden wesentlich zur Reduktion des Energieverbrauchs bei. Sie kombinieren technologische Innovation mit funktionalem Design und zeigen auf, wie Gebäude energieeffizienter und umweltfreundlicher gestaltet werden können.
Bionische Forschung
Als Inspiration bzw. Vorbild für «FlectoLine» diente die Wasserfalle (Aldrovanda vesiculosa), eine fleischfressende Pflanze, deren Bewegung durch Turgordruck in speziellen Bereichen entlang der Mittelrippe gesteuert wird. Dieses Prinzip wurde auf die «FlectoLine»-Module übertragen, wobei eine lineare Aktuierungszone die Funktion der Motorzonen übernimmt.
Ein weiteres biologisches Vorbild sind die Adern in den Flügeln der Streifenwanze (Graphosoma italicum). Diese Adern, umgeben von steifen und flexiblen Materialien, steuern die Faltbewegung des Flügels. Die Materialstruktur wurde dahingehend optimiert, dass flexible Bereiche Spannungen reduzieren, die durch steigenden Innendruck entstehen. Die Bewegungsrichtung wird durch das Verhältnis von steifem und flexiblem Material bestimmt.
Integrierte Aktuierung
«FlectoLine» besteht aus faserverstärkten Verbundplatten mit integrierten Gelenkzonen, die für den Betrieb mit pneumatischen Aktuatoren optimiert sind. Der Aktuator ist als Kissen in die Verbundplatte integriert. Die Materialstruktur ist so gestaltet, dass der Bereich unterhalb des Aktuators steifer ist, während der Bereich oberhalb flexibler bleibt. Wird das Kissen mit Druck beaufschlagt, verformt sich die Platte stärker in Richtung der flexibleren Seite, wodurch eine Biegung erzeugt wird. Durch die Klemmung der Platte an einer Seite der Gelenkzone lässt sich das freie Ende gezielt biegen.
Da der Aktuator direkt in die Verbundplatte integriert ist, entfallen mechanische Verbindungen zwischen Faltelementen und Antrieb. Die flexiblen Gelenkbereiche benötigen nur einen geringen Druck (0,3 bis 1,5 bar), um eine Biegung von 0° bis 90° zu ermöglichen. Während der Biegebewegung speichert die Gelenkzone elastische Energie, so dass das Modul automatisch in seine Ausgangsposition zurückkehrt, wenn der Druck abgelassen wird.
Für die «FlectoLine»-Fassade wurden zwei Materialsysteme entwickelt, inspiriert von biologischen Strukturen. Beide Materialsysteme wurden umfassenden Tests unterzogen: Wind-, Bewitterungs- und Brandtests, um sicherzustellen, dass die mechanischen Eigenschaften und das Erscheinungsbild mindestens 15 Jahre stabil bleiben. Zudem wurden die Systeme zyklisch unter pneumatischer Aktuierung auf Biegung bis zu 90° mit mindestens 20 000 Testzyklen geprüft, um die Langlebigkeit der Fassadenelemente zu gewährleisten.
Reaktion auf Benutzer und Umwelt
Durch die kontinuierliche Analyse von Echtzeit- und Prognosedaten berechnet das System den optimalen Öffnungswinkel der Panels und sorgt für ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Komfort, Energieeffizienz und erneuerbarer Energie.
Die «FlectoLine»-Fassade demonstriert das Potenzial grossflächiger adaptiver Fassaden aus faserverstärkten Kunststofflaminaten mit flexiblen Gelenkzonen und integrierten pneumatischen Aktuatoren. Auf einer Testfläche von 83,5 m² besteht sie aus 101 Komponenten mit Abmessungen von 0,81 × 0,86 Metern bis 1,50 × 1,31 Metern. Um einen Biegewinkel von 90° zu erreichen, genügt ein Druck von nur 0,4 bar, was die hohe Effizienz des Systems unterstreicht. Integrierte organische Dünnschicht-Photovoltaikzellen (PV) gewinnen Sonnenenergie und decken den Energiebedarf der Fassade eigenständig. Kurz gesagt: Bei Sonneneinstrahlung öffnen sich die Panels, und die Fassade dahinter wird beschattet. Bei bewölktem Himmer schliessen sich die geflügelten Panels und lassen somit das Sonnenlicht ins Gebäudeinnere.
Heizungsersatz
