Kunststoff-Fassaden sparen Energie

Die Fassade künftiger Bauwerke wird multifunktional sein. Schon heute dient sie dem Schutz der Gebäude, der Wärmedämmung, der Erhaltung des Raumklimas und der Regulation des Feuchtigkeitshaushaltes. Künftige zusätzliche Aufgaben werden die Steuerung des Lichteinfalls, die Energie- und möglicherweise die Nahrungsgewinnung sein. Die dazu notwendigen Eigenschaften werden durch Polymere oder Materialkombinationen maßgeschneidert, die Ideen und Anregungen zur Umsetzung liefert die Bionik.

Expo-Pavillions bieten den Bauingenieuren und Architekten Raum für Projektideen. So zeigt der deutsche Pavillion 2015 in Mailand ungewöhnliche und organisch fließende Formen, als Sinnbild für eine zukunftsweisende Architektur, die sich am Vorbild der Natur orientiert. „Ideen-Keimlinge“ wachsen aus der Pavillion-Landschaft, die sich dank Inte-gration der Organischen Photovoltaik-Technologie (OPV) in energieerzeugende „Solar Trees“ auswachsen. Ebenfalls Anleihe in der Bionik nahm der Themen-Pavillion der Expo 2012 in Süd-Korea. Hier bestand die Fassade aus beweglichen Elementen, die wie Kiemen eines Fisches das Gebäude atmen ließen, weil sie geöffnet in der Haupt-Windrichtung standen und so optimiertes Belüften ermöglichten. Ebenso waren sie für den bestmöglichen Lichteinfall im Gebäude verantwortlich, ihre Bewegung erzeugte wellenartige Bewegungen an der der Fassade.

Detailaufnahme der Fassadenelemente (Bildquelle: Elegant Embellishments)

Seit 2000 befasst sich eine Forschungsgruppe des ITKE, Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktive Entwicklung der Uni Stuttgart, Stuttgart, mit dem materialgerechten Design von Kunststoffen und Kompositen in der Architektur. Der Schwerpunkt liegt auf der Optimierung der Materialien und funktionsintegrierter Komposite. Beispielsweise entstand im Rahmen des von der EU und dem Land Baden-Württemberg geförderten Forschungsprojektes Biokunststoff-Fassade ein Mock-Up aus dauerhaften und rezyklierfähigen Biokunststoffen. Er demonstriert eine mögliche architektonische und bautechnische Anwendung der im Projekt entwickelten Biokunststoffe. Der Entwurf basiert auf einem dreieckigen Netz mit verschiedenen Maschengrößen. Die Fassadenfläche beträgt 145 m² und besteht aus 388 unterschiedlichen Formteilen aus einem biobasierten, mit Flammschutz ausgerüsteten Kunststoff. Zur Herstellung der Formteile war lediglich ein Tiefziehwerkzeug erforderlich. Die Platten verknüpfen die Eigenschaft der freien Formbarkeit von thermoplastischen Kunststoffen mit den ökologischen Vorteilen eines Materials, das zu 90 % aus nachwachsenden Rohstoffen besteht. Das vom Projektpartner Tecnaro, Ilsfeld-Auenstein, im Rahmen des Projektes weiter entwickelte Biokunststoffgranulat Arboblend lässt sich zu Platten extrudieren. Diese können durch Bohren, Bedrucken, Laminieren, Lasern, CNC-Fräsen oder Tiefziehen unterschiedliche Oberflächenqualitäten, Strukturen und Formen erhalten. Die Halbzeuge dienen dann zur Verkleidung ebener oder frei geformter Innen- und Außenwände. Der Werkstoff kann rezykliert werden und erfüllt auch die hohen Anforderungen, die hinsichtlich Dauerhaftigkeit und Flammschutz an Baustoffe gestellt werden.

Diese Begrünung besteht aus Kunstrasen-Modulen und schafft eine komplett hinterlüftete Fassade zum Schutz des Gebäudes. (Bildquelle: Roofingreen)

Ressourcenschonung durch Recycling war außerdem einer der Ansätze für ein Forschungsprojekt zum Thema Polyurethan, das auf der Fachmesse Bau 2013 vorgestellt wurde. Als konstruktiven Fas­sadenbaustoff des Experimentalbaus setzten knapp 20 Studierende der TU Berlin erstmalig PUR-Pressplatten aus recyceltem PUR-Dämmstoffresten ein, um einen einen „Weißen Pavillon“ aus Holz zu bauen. Dabei zeigten sie neue Einsatzmöglichkeiten von PUR in einer Verbundfassade. Für das Projekt stellten Netzwerkpartner des Eco Commercial Building Programms (ECB) – Bayer Material Science, Leverkusen, Puren, Überlingen, und AB-Polymerchemie, Aurich – neben finanzieller Hilfe verschiedene Materiallösungen zur Verfügung. Seitlich verfügt der Pavillon über vertikale, lichtdurchlässige Lamellen aus Polycarbonat-Doppelstegplatten aus Makrolon. PC ist eine schlagzähe und bruchsichere Alternative zu Glasplatten, vor allem wegen seines geringen Gewichts: Es ist rund 60 % leichter als Glas. Die einzelnen Module des Pavillons bestehen aus Kiefernholz­ständern, die innen mit OSB-Platten (Grobspanplatten) ver­sehen sind. Bei Bauwerken aus Holz gelten stets besonders hohe Anforderungen an den Feuchtigkeitsschutz. Die Studie­renden setzen daher beim Pavillon-Bau auf eine Fassadenhaut aus Polyurethan (PUR)-Pressplatten aus recycelten PUR-Dämm­stoffresten, die in einem speziellen Upcycling-Verfahren aus Purenit gewonnen wurden. Dieser Funktionswerkstoff ist feuchtigkeits-, schimmel- und fäulnisbeständig und weist eine hohe Chemikalienbeständigkeit auf. Die PUR-Pressplatten fungieren als Dämmmaterial. Für den Wit­terungsschutz wurden sie zusätzlich mit einer 2 bis 3 mm dicken PUR-Spritzbeschichtung versehen.

Dämm-Materialien aus geschäumten Kunststoffen sichern heute Energieeinsparungen

Kunststoffe, vor allem geschäumte Kunststoffe besitzen ein gutes Wärmedämmverhalten, das vor allem aufgrund der strengen Anforderungen der Novellierung der EnEV 2014 im Bauwesen stark nachgefragt wird. Doch die Wärmedämmung ist nicht mehr der wichtigste Aspekt für die Auswahl eines bestimmten Materials aus der großen Palette. Das Raumklima und der Feuchtigkeitshaushalt spielen ebenso wie weitere Funktionen der Fassade ein immer wichtigere Rolle. Dem Trend zur Multifunktionalität folgend haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg, Fassadenelemente entwickelt, die Lüftungs-, Heizungs- und Sanitärsysteme mit Wärmedämmplatten in einem System verbinden. Die multifunktionalen Dämmplatten sind sowohl in Neubauten als auch bei der Sanierung von Bestandsgebäuden einsetzbar. Verwendete Materialien und integrierte Technik können nach Anforderung kombiniert werden. Die vorgefertigten Fassaden- und Fensterelemente erhöhen die Energieeffizienz von Gebäuden und sind erste Ergebnisse mehrerer Forschungsprojekte, an denen das Fraunhofer ISE beteiligt ist.

Das Senken des Energieverbrauchs und damit eine verbesserte Energieeffizienz sind wichtige Voraussetzungen für einen klimaneutralen Gebäudebestand, wie ihn die Bundesregierung bis 2050 anstrebt. Die politischen Ambitionen sind groß, die bisherigen Sanierungsraten jedoch gering. Es fehlt an flexiblen und preiswerten Lösungen. Experten des Instituts aus Freiburg treiben daher seit vielen Jahren gemeinsam mit Industriepartnern Entwicklungen voran, welche die thermische Gebäudehüllensanierung und die Optimierung haustechnischer Anlagen verbinden. Jetzt können sie erste vorgefertigte Produkte präsentieren. Die im Projekt »Retrokit« entwickelten Fassadenelemente bestehen aus multifunktionalen Dämmplatten und vorgefertigten Fenstermodulen. Dabei können verschiedene Materialien miteinander kombiniert werden. »Je nach Brandschutzanforderungen können Schaumstoffe oder Mineralwolle als Dämmmaterial mit Kunststoff- oder Metallrohren für die Lüftung verwendet werden«, so Fabien Coydon vom Fraunhofer ISE. Als technische Komponenten können Luft-, Heizungs-, Sanitär-, Strom- und ICT-Leitungen integriert werden. Diese Fassadenelemente eignen sich vor allem für die Sanierung von Bestands- und Altbauten. Und hier spielt auch der Preis des Materials eine große Rolle.

Als Dämmstoffe im Hausbau sind häufig daher vor allem preisgünstige PUR-Hartschäume im Handel unter verschiedenen Markennamen erhältlich wie auch EPS (expandiertes Polystyrol) oder XPS (extrudiertes Polystyrol). Auch PE- beziehungsweise PP-Schäume sind auf dem Markt verfügbar. An biobasierten Schaum-Kunststoffen wird derzeit gearbeitet. Allen aufgeschäumten Polymeren ist gemeinsam, dass bei ihrer Verwendung im Bauwesen zu Zwecken des Wärme- aber auch des Schallschutzes besonders auf den Flammschutz zu achten ist. Denn die Brennbarkeit der Materialien nimmt durch die Schaumstruktur zu. Erschwerend kommt hinzu, dass künftig nur halogenfreie Flammschutzmittel verwendet werden dürfen. Und besonders hier besteht noch Forschungsbedarf, wie ein aktuelles Projekt am IKV, Aachen, zeigt.

Nachgehakt

Rund zwei Drittel der Energie werden in Privathaushalten zum Heizen benötigt. Eine gute Wärmedämmung bei Fassaden ist die beste Möglichkeit, Energieverluste zu verhindern und damit auch Heizkosten zu senken.

Kann Polyurethan zur Wärmedämmung beitragen?
Polyurethan (PUR) ist ein Kunststoff, der als Vollmaterial oder als weicher, harter oder halbharter Schaum hergestellt werden kann und sich so auf jede Anwendung anpassen lässt. Es handelt sich bei PUR um einen nichtschmelzbaren Kunststoffschaum, der durch ein Zellgas – meist verwendet man Pentan – aufgeschäumt wurde. Dieses Zellgas hat eine niedrigere Leitfähigkeit als Luft, sodass der Schaum ein gutes Wärmedämmvermögen hat. PUR-Hartschaum dämmt daher besser als Styropor, dessen Schaumzellen Luft enthalten.

Welche Vorteile und Nachteile hat Polyurethan?
Polyurethan ist druckfest, formstabil und leicht im Vergleich zum Volumen. Ein Quadratmeter Polyurethanplatte wiegt nur ungefähr 3 kg. Außerdem ist Polyurethan wasserabweisend, sodass es dauerhaft ist und eine geringe Schimmelneigung  hat. Polyurethan-Dämmstoffe können vielfältig eingesetzt werden. Allerdings ist Polyurethan nicht zur Hohlraumdämmung geeignet, weil es formstabil ist.

Welche Materialien können als Fassadenverkleidung genutzt werden?
In Fassadenkonstruktionen finden Thermoplaste und Duroplaste in Form von Verbundstegen (Polyamid), Dichtungsfolien, Dichtungsprofilen, Dichtungsbändern, elastischen Dichtungsstoffen und Wärmedämmstoffen häufig Verwendung. Hauptsächlich werden folgende Kunststoffe eingesetzt:

• Acrylglas (Polymethylmethacrylat, PMMA) ist einer der meist verwendeten transparenten Thermoplaste in Fassadenkonstruktionen.
• Polycarbonat (PC) ist ein technischer Kunststoff, schlagzäh und kältebeständig. Seine amorphe Struktur gibt ihm eine hohe Transparenz. Er hat eine relativ hohe Wärmeformbeständigkeit und besitzt eine geringe Neigung zur Wasseraufnahme. Deshalb ist dieses Material besonders für Außenanwendungen in Form von transparenten, ebenen Platten oder extrudierten Steg- und Wellplatten verwendbar.
• Polyethylenterephthalat (PET-A) ist ein amorpher Polyester, der durch Extrudieren in Platten hergestellt wird. Aufgrund seiner Schlagzähigkeit, Chemikalienbeständigkeit und Brandeigenschaften (Baustoffklasse B1 nach DIN 4102*) eignet sich der Werkstoff für hoch beanspruchte Außenbauteile.
• Polyvinylchlorid (PVC) ist ein amorpher Thermoplast. Er wird in Profilen für Fassadenbekleidungen, transparenten Fassadentafeln und Folien verwendet.

Stoffdatenbank für die PUR- und Schaumstoffindustrie

Mit einem Modellprojekt startete im November 2014 der Fachverband Schaumkunststoffe und Polyurethane FSK e.V., Frankfurt, mit einer Branchendatenbank für ein professionelles Stoffdaten-Management in der Kunststoffverarbeitung. Die wachsenden Anforderungen an das Handling von chemischen Stoffen im Rahmen des Chemikalienrechts und der europäischen Chemikalienverordnung Reach machen einen professionellen Umgang mit Stoffdaten- beziehungsweise Stoffinformationen im kunststoffverarbeitenden Unternehmen notwendig. Die gesetzlichen Anforderungen an eigene Gefährdungsbeurteilung sowie das Erstellen von Betriebsanweisungen mit den entsprechenden Arbeitsschutzmaßnahmen können nicht mehr ohne ein professionelles IT-Tool oder ohne eine eigene Stoffdatenbank bewerkstelligt werden. Die Umstellung auf die neuen Gefahrstoffzeichen und auch Einstufung im Rahmen von CLP ergänzen diese Anforderung an ein professionelles Stoffmanagement in der Kunststoffverarbeitung, die in den nächsten Jahren durch die nächsten REACH-Stufe für die „kleinen“ Stoffe deutlich zunehmen werden. Mit einem IT-Tool auf Basis von Microsoft Access bietet der Verband eine Stoffdatenbank an. Unkomplizierte Schnittstellen und die Möglichkeit, über entsprechenden Anwendergruppen miteinander zu kommunizieren, sollen Möglichkeiten schaffen, den Austausch und den Import von Stoffdaten zu ermöglichen und zum Teil Vorgänge vereinheitlichen. Das in Zusammenarbeit mit Umweltberatern angebotene IT-Tool habe sich in den ersten Anwendungen in der Branche bewährt, so der Verband.