Climate control is one of the key issues when it comes to the future of construction. On the one hand, global warming is increasing the demand for intelligent systems to control the temperature of buildings, and on the other, the construction sector is one of the main sources of energy consumption worldwide - both for the construction of buildings and for their operation with increasing cooling loads. This is where the innovative ADAPTEX solar shading concept comes in, whose mode of action is based on smart materials.

The research project of the same name was developed jointly by university and industry partners as part of smart³. The result is textile-based façade elements that have already been tested as prototypes for use in practice. This sun protection is installed in front of large glass surfaces and can adapt its degree of opening and therefore also its efficiency to the current climate conditions. Shape memory alloy wires (SMA wires) are incorporated into the permeable structure and serve as actuators for the shading elements.

FGL-Technologie im großen Maßstab

Der Mechanismus für ADAPTEX basiert auf textiler Logik: die FGL-Drähte werden als integral in die textile Flächenkonstruktion eingearbeitete „Fasern“ interpretiert. So wird ein ungewöhnlicher Maßstabsprung möglich, denn bislang kamen FGL-Drähte als Aktoren nur in objektgebundenen Anwendungen wie im Maschinenbau oder der Medizintechnik zum Einsatz. Das Projekt ADAPTEX übersetzt die Technologieanwendung in großmaßstäbliche Flächenelemente für die Verwendung in der Fassade. Interpretiert man die „smarten“ FGL-Drähte als Teil eines Textils, das von der Rolle in endlosen Längen hergestellt werden kann, lassen sich nun sogar haushohe Flächen mit der smarten Technologie aktivieren.

Dabei kommt die Temperaturabhängigkeit des FGL-Materials dem Einsatz als Klimaelement entgegen. Die FGL-Drähte verkürzen sich im Zuge eines Temperaturanstiegs und entspannen sich wieder bei Abkühlung. Dieser Effekt wird für den Bewegungsmechanismus der Flächenstruktur genutzt. Nur wenn eine hohe Verschattung benötigt wird – tagsüber bei Sonneneinstrahlung und entsprechender Wärme – schließt sich die Fläche durch die steigenden Temperaturen. Fällt die Temperatur, öffnet sich die Fläche wieder selbstständig. Das Prinzip funktioniert ganz ohne externe Stromzufuhr: mit der Energie der Sonne vor ihrer Einwirkung zu schützen ist das Konzept. Es entsteht ein autarkes System, das ohne Stromverbrauch verschatten und das Klima modulieren kann. So wird im Vergleich zu herkömmlichen automatisierten Verschattungssystemen wie beispielsweise motorbetriebenen Jalousien, Energie im Betrieb eingespart. Die FGL-Drähte sind aufgrund ihrer Verschleißfreiheit, Langlebigkeit und Wartungsfreiheit sehr gut für Fassadenanwendungen geeignet.

Die FGL-Drähte sind aufgrund ihrer Verschleißfreiheit, Langlebigkeit und Wartungsfreiheit sehr gut für Fassadenanwendungen geeignet.

Als marktverfügbare Produkte sind sie in unterschiedlichen Konfigurationen und Stärken auf spezifische Aktivierungstemperaturen ausgelegt. Das ADAPTEX Sonnenschutzsystem lässt sich durch Integration der jeweils geeigneten FGL-Drähte für unterschiedliche Klimazonen auf einen bestimmten Temperaturbereich anpassen. Aber nicht nur durch die Außentemperatur, sondern auch durch einen einmaligen kurzen Stromimpuls lassen sich die Drähte aktivieren. So kann durch diese zusätzliche Bedienmöglichkeit der individuelle Nutzerkomfort erhöht werden. In Doppelfassadensysteme integriert, lassen sich mit dem System auch Sonnenschutzelemente herstellen, die problemlos in herkömmliche Bauabläufe und Konstruktionsarten integrierbar sind.

Adaptex im Einsatz unter realen Bedingungen

Das Interesse des Forschungsteams lag insbesondere auf der Entwicklung des autarken Betriebs, sowie auf der Gebäudenachrüstung, denn gerade die energetische Sanierung des Bestandes ist eines der drängendsten Themen im Bauwesen. Ein wichtiger Aspekt war dabei die Umsetzung einer 1:1 Demonstrator-Fassade, um das Konzept zu validieren und von der realen Umsetzung zu lernen. Als Demonstrationsstandort wurde ein Ort mit großen Klimaschwankungen zwischen Tag und Nacht gewählt: Maskat im Sultanat Oman. Im Sommer herrschen dort tagsüber über Wochen bis zu 40 Grad Hitze, nur in den Nachtstunden kühlt es ab.

Klimatisierung und Sonnenschutz sind ein allgegenwärtiges Thema, dem in den letzten Jahrzehnten meist durch herkömmliche Klimaanlagen mit hohem Energieverbrauch begegnet wurde, die zudem durch ihre Abwärme die Umgebung noch weiter aufheizen. Auf dem Campus der “German University of Technology” in Maskat befindet sich das Versuchsgebäude „Eco House“, an dem die Prototypen außenliegend angebracht und über den Zeitraum von einem Jahr getestet wurden. Der Aufbau erfolgte in einer gemeinsamen Montagewoche im August 2022 in Zusammenarbeit des ADAPTEX Forschungsteams mit Professoren und Mitarbeitern der Universität.  Aufgrund der hohen Tagestemperaturen konnten die Arbeiten ausschließlich in den Abend- und Nachtstunden durchgeführt werden.

Mehrfach ausgezeichnete Entwicklung

Nicht nur durch die technische Innovation, sondern auch durch die hochwertige Gestaltung besticht das Ergebnis. In der interdisziplinären Kooperation von Fassadenplanern, Materialspezialisten und Designern wurden zwei unterschiedliche Funktionsprinzipien entwickelt. Das System „Wave“ basiert auf einem Stahlseilnetz mit eingearbeiteten textilen Bändern aus Glasfasergewebe, die bei Aktivierung ihre Geometrie verformen und sich schließen. Das System „Mesh“ kombiniert hintereinanderliegende Glas- und Basaltfaserstrukturen, die durch Verschieben einer der Schichten unterschiedliche Öffnungsgrade ermöglichen. Diese Variante entpuppte sich bei den örtlichen Besuchern als ein „local hero“, denn sie erinnert an Muster der arabischen „Mashrabiya“ Fassadenelemente. Dies sind durchbrochene, offene Holzgitter, die in traditionellen Bauweisen als Sichtschutz, Verschattung und Belüftungselemente dienen.

Gemeinsam vom Prototypen zum Demonstrator

Gestaltung und Technologie wurden von Beginn des Projektes an gemeinsam entwickelt. So wird die Technik zum integralen Bestandteil des Designs bzw. das Design zum integralen Bestandteil der Technik. Der Entwicklungsprozess begann mit unzähligen experimentellen Design Prototypen, die im Laufe des Projektes immer weiter verfeinert und analysiert wurden. Dieser „Hands-On“ Prozess und die 1:1 Muster und Prototypen ermöglichten von Beginn an einen intensiven und kreativen Austausch der neun Partnerinstitutionen aus unterschiedlichen Disziplinen und Arbeitskulturen. Dass diese Art von interdisziplinärem Arbeiten Innovation befördert, zeigt sich auch in den Anerkennungen, die das Projekt international bekam, wie z.B. den „Award of Excellence 2022“ in der Kategorie Innovation des “Council on Tall Buildings and Urban Habitat CTBUH”, Chicago, oder dem „Spezial Preis für Innovation“ des Zumtobel Group Awards, 2022. In einem nächsten Schritt soll das Projekt nun weiter bis zur Marktreife entwickelt werden, damit diese Innovation auch bald konkret ihren Beitrag zur Bauwende liefern kann.