Frycraper

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Fryscraper stören die Nachbarschaft – Neues Analyseverfahren für Strahlungskonzentration durch Glasfassaden

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Die konkav ausgebildete Fassade des »Walkie-Talkie«-Gebäudes in der Londoner City konzentriert Sonnenstrahlung, die erhebliche Probleme wie Blendung und Überhitzung von Materialien verursachen kann.

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Analysetool des Fraunhofer IBP zur Bewertung potenziell kritischer Solarkonzentrationen auf Fassaden.

Fryscraper ist ein Kunstwort in Anlehnung an »to fry« (braten) und »skyscraper« (Wolkenkratzer). Gemeint sind hohe Gebäude, die durch konkave Fassaden Sonnenstrahlen konzentrieren.

Das »Walkie Talkie«-Gebäude in der Londoner City rückte ein Problem heutiger Fassadenarchitektur in den Fokus: Die konkav ausgebildete Fassade konzentrierte die Sonnenstrahlung. Dies brachte Kunststoffteile an geparkten Fahrzeugen zum Schmelzen; Anwohner konnten im Brennpunkt Spiegeleier braten. Linderung brachte erst eine aufwendige Entspiegelung der Fassade mit Hilfe einer Struktur aus Metallblenden (»Brise Soleil«) – der Schaden lag im hohen einstelligen Millio nenbereich. Dies stellt keinen Einzelfall dar. Andere bekannte Problemfälle sind die Disney Concert Hall in Los Angeles, das Vda ra Hotel in Las Vegas sowie weitere Projekte in Mitteleuropa.

Während ebene Glasfassaden wie am Neubau der Universitätsbibliothek in Freiburg oder gängige Photovoltaik-(PV)-Anlagen übliche Blendungsprobleme hervorrufen, führt die Kombination aus Fassadenkrümmung, Fassadenorientierung und stark reflektierenden Sonnenschutzgläsern zusätzlich zu erheblichen Temperaturerhöhungen. Dabei wurden Solareinstrahlungen gemessen, die bis zu zehnmal so hoch waren wie normal (ca. 10 000 W/m²), auf Bauteilen wurden Temperaturen von 200 °C dokumentiert. Die Konzentrationen bilden sich in Form von Kaustiken aus, also in Form von »Brennlinien« oder »Brennflächen«, und dehnen sich dreidimensional im Raum. Somit sind die Probleme nicht allein auf Bodenflächen begrenzt, sondern wirken auch auf Gebäudehüllen einer existierenden oder zukünftigen Nachbarbebauung. Mögliche Folgen: Fassadenteile werden thermisch zu stark beansprucht, Dichtungen können schmelzen, bestrahlte Räume heizen sich zu stark auf. In einigen Fällen klagten Passanten über plötzliche hohe Strahlenbelastungen. Derartige kritische Situationen können sich auch in innerstädtischen Umgebungen einstellen, die stark verbaut sind und auf den ersten Blick unkritisch erscheinen. Für Blendung gibt es mittlerweile auch in Deutschland Anforderungen, etwa die »Licht-Leitlinie« bezüglich PV-Anlagen. Was die Solarkonzentration angeht, so stehen Leitlinien in Mitteleuropa jedoch noch aus. International sind vereinzelt Regelungen anzutreffen. In Singapur und Sydney werden beispielsweise Grenzwerte für Reflexionskennwerte von 20 Prozent für Fassadenbauteile gefordert. China hat eine eigene Norm, die kritische Fassadengeometrien verhindern soll. Kommt es in der Folge zu einer Entspiegelung der Fassade, steht ein Portfolio an Vermeidungsstrategien zur Verfügung. So können etwa die Gläser durch solche mit geringerer Reflexion ersetzt werden, die Gläser außen in Teilen bedruckt werden, Metallgewebe, die weiterhin einen Ausblick gewähren, vor die Fassade gespannt werden oder vertikale und / oder horizontale Blenden (»Brise Soleil«) angebracht werden. Dies geht allerdings zulasten der ursprünglichen Planung. Der Ausblick wird eingeschränkt, die Tageslichtversorgung sinkt, die solarenergetischen Parameter der Fassade ändern sich. Wertminderungen der Immobilie durch geringere Mieteinnahmen und erhöhte Betriebskosten können die Folge sein – abgesehen von den Kosten für die eigentliche Schadensregulierung.

Forscher des Fraunhofer IBP haben in mehreren Vorhaben ein neues Analyseverfahren entwickelt, mit dem sich derartige potenziell kritische Solarkonzentrationen bewerten lassen. Im Idealfall wird dieses Verfahren bereits in der Planungsphase angewandt. Treten die Probleme bei schon errichteten Gebäuden auf, können aus den Analysen Vermeidungsstrategien abgeleitet und bewertet werden. Hierzu lesen die Wissenschaftler CAD-Modelle der betroffenen Gebäude aus gängigen Programmen – beispielsweise »Autodesk Revit« – in eine Programmumgebung ein. Diese parametriert und steuert einen »Forward Raytracing Rechenkern«. In Abhängigkeit der geographischen Lage werden in definierbaren Zeitreihen automatisiert Besonnungsberechnungen durchgeführt und Kaustiken daraufhin analysiert, wie gut sie vorgegebene Grenzwerte einhalten. Wird die Höchstgrenze der solaren Einstrahlung überschritten, werden automatisch die relevanten Bereiche auf der reflektierenden Fassade – d. h. der kritischen Strahlungsquelle – identifiziert und weiterführend analysiert, beispielsweise hinsichtlich der Einstrahlwinkel. Auf dieser Grundlage können Gegenmaßnahmen definiert werden, wie die Ausbildung von Entblendungskonstruktionen. Dabei ist es auch möglich, komplexere Materialeigenschaften zu berücksichtigen, etwa von Metallgeweben auf Basis goniophotometrisch gemessener BRDF-Daten (Bidirectional Reflection Distribution Function). Die Ergebnisse werden u. a. als Filme dargestellt, die mit numerischen Angaben überblendet werden und die zeitliche Abfolge der Konzentrationsvorgänge sowie deren Vermeidung zeigen.

Zusammenfassend gilt auch hier: »Prävention ist besser als Heilen«. Zukünftig ist es wünschenswert, derartige Schadensfälle erst gar nicht entstehen zu lassen. Architekten und Fassadenplaner sollten in ihrer Ausbildung weiter für dieses Thema sensibilisiert werden. Eine Qualitätssicherung, die direkt in die Planungsumgebungen eingebettet wird, könnte ebenfalls einen wichtigen Beitrag leisten.