Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP
»Bei uns scheint täglich die Sonne und wenn wir wollen auch nachts«, erklärt Michael Würth, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP und lacht dabei. Das Motto kommt nicht von ungefähr, denn Dreh- und Angelpunkt seiner Forschungsarbeiten ist die Sonnensimulation. Der Forscher der Abteilung Hygrothermik untersucht, wie sich Bauteile und -konstruktionen unter Strahlungsbelastungen und klimatischen Einflüssen verhalten. Sein derzeitiges Projekt ist das Osloer Nationalmuseum, das mit einer Bausumme von über 600 Millionen Euro aktuell eines der größten Bauvorhaben im Kulturbereich weltweit ist. Prägendes Element des Gebäudeensembles direkt am Hafen ist die sogenannte Alabasterhalle mit mehreren Tausend Quadratmetern Fassadenfläche. Spezielle, der Glasdoppelfassade vorgesetzte Glaskeramikplatten, erzeugen im Sonderausstellungsbereich ein weiches Licht und sorgen gleichzeitig mit einem integriertem Sonnenschutz für ein behagliches Raumklima. Trotz dieser Ganzglasfassade sollen insbesondere im Sommer die Kühllasten innerhalb der Halle auf möglichst geringem Niveau gehalten werden. Die Kühllast ist die Leistung, welche z.B. über eine Klimaanlage abzuführen ist, um ein behagliches Raumklima zu erzielen. Die Umsetzung dieser Anforderung erwies sich aufgrund zweier Besonderheiten als Herausforderung: Zum einen hat die Fassade mit über einem Meter eine ungewöhnliche Tiefe, zum anderen strömt Abluft im Zwischenraum beider Glasebenen aus dem Gebäude. Umso wichtiger war der Funktionstest im Labor, denn ein deutlich größerer Fassadenabschnitt als sonst üblich musste als Aufbau auf den Prüfstand. Mit dem Sonnensimulator setzte der Wissenschaftler alle Anforderungen und Wünsche der Bauherren und Planer kurzfristig um. Das Know-how der Arbeitsgruppe Wärmekennwerte / Klimasimulation ermöglichte zudem ein aufwändiges Versuchsmodell mit insgesamt sechs unterschiedlichen Klimazonen, um damit den praxisnahen Betrieb zu simulieren.
Die Sonnensimulation in der praktischen Anwendung
Typische Anwendungsfelder der Sonnensimulation sind die künstliche Alterung von Werkstoffen, die Ermittlung des Gesamtenergiedurchlassgrads, die Klärung von Funktion und Lebensdauer von Produkten und Systemen oder sogenannte Wärmelastprüfungen, die spontanes Versagen von Bauteilen überprüfen. Auch Emissionen, die sich im Bauteil im Zwischenraum als heller Beschlag abzeichnen, sind ein Thema. Die Solarstrahlung ist hinsichtlich der Simulation eines der komplexesten Klimaelemente. Neben der richtigen Bestrahlungsstärke sind auch das Spektrum der Leuchtmittel und die optischen Elemente der Strahler passend zur jeweiligen Anforderung zu bedenken. Von Bedeutung für lichtlenkende Bauteile ist beispielsweise der Einfallswinkel der Strahlung oder die Zusammensetzung aus direkter und diffuser Strahlung, die unter anderem von der Tages- oder Jahreszeit abhängt. Für jedes Anwendungsfeld gibt es spezielle Prüfeinrichtungen. Bei Alterungs- und Wärmelastprüfungen größerer Flächen kommen in der Regel unkomplizierte Mischlichtquellen zum Einsatz.
Ein Prüfstand mit Leuchtkraft
Im großen Sonnensimulator verbaut sind Halogen-Metalldampflampen. Sie geben im solaren Bereich zwischen 300 und 2500 nm ein sonnennahes, kontinuierliches Spektrum ab. »Dass die eingesetzte künstliche Lichtquelle der Zusammensetzung des natürlichen Sonnenlichts möglichst nahe kommt, ist für unsere Forschungen ein wesentliches Kriterium«, erklärt Würth. »Mittels gut aufeinander abgestimmter optischer Komponenten können wir eine hochwertige Richtcharakteristik erzielen. Üblich sind Bestrahlungsstärken in Probenebene im Bereich 500 bis 1 200 W/m²«. Klassische Schnellbewitterungstests für organische Werkstoffe erfolgen in der Regel nach erprobten Normverfahren in Standardprüfgeräten mit UV- oder Xenonquellen. Für spezielle Anwendungen, wie beispielsweise bei sich mehrfach überlagernden Reflexionen bei benachbarten Gebäuden, lassen sich in Sondereinstellungen auf Teilflächen Bestrahlungsstärken von bis zu 5 kW/m² realisieren. Für einen wirtschaftlichen Betrieb der Versuchsanlage legt Würth großen Wert auf die Effizienz der Leuchten. Leider gibt es derzeit noch keine technisch befriedigende Lösung, um das solare Spektrum mit LED-Technik abzudecken.
Zur Charakterisierung unterschiedlicher Sonnensimulationseinrichtungen stehen leistungsfähige Werkzeuge und selbst entwickelte Methoden zur Verfügung, womit auch externe Messungen im Kundenauftrag möglich sind: Mittels eines kalibrierten Spektralradiometers lassen sich Leuchtmittelspektren zwischen 280 und 2 500 nm in Schrittweiten von 1 nm in absoluten Bestrahlungsstärken aufnehmen. Zudem können damit die Wirksamkeit von Filtern und die Alterung der Leuchtmittel überwacht werden. Bei sehr komplexen Fassadenaufbauten kann die spektrale Transmission, also die Lichtdurchlässigkeit, direkt im Sonnensimulator gemessen werden. Die Gleichmäßigkeit der Bestrahlung in Probenebene wird ergänzend zu Messungen mit Pyranometern über ein Kamerasystem mit mehreren Hunderttausend Messpunkten überwacht.
Bewitterung nach Maß und auf Knopfdruck
Maßgeschneiderte Bewitterung unter Laborbedingungen erreicht der Wissenschaftler, indem er die für die Fragestellung relevanten Klimafaktoren kombiniert. Die Klimadaten holt sich Würth aus Datenbanken, die ihm die Werte von der Wüstensonne bis zu Standorten in Nordeuropa liefern. Diese Parameter lassen sich individuell programmieren. Mit der Reproduzierbarkeit, also die Wiederholbarkeit der Tests unter gleichen Bedingungen, erreicht er verlässliche Ergebnisse und kann dadurch Ausführungsvarianten oder Produkte miteinander vergleichen. »Die Besonnung von Bauteilen, wie Wände oder Dächer in Originalgröße bis zu 8 m² und einer originalen Einbaulage in Kombination mit Temperatur, Luftfeuchte oder Regen ist ein Alleinstellungsmerkmal. Bei kalorimetrischen g-Wert-Messungen ist sonst lediglich ein Quadratmeter üblich. Hierfür haben wir speziell leistungsstarke mobile Klimaeinheiten bauen lassen, so dass wir nicht an die Abmessungen von Klimakammern gebunden sind«, erläutert Würth. Bei Bedarf können die Prüfungen auch in Klimakammern mit bis zu 250 m³ Volumen erfolgen.
Kompetenz und internationale Vernetzung
»Ankara, Toronto, Mailand, Cupertino, Leicester – das sind nur einige der Standorte von Bauvorhaben, für die wir zusammen mit unseren Kunden Lösungen entwickeln«, so Würth, der das Feld der Sonnensimulation in den vergangenen Jahren am Fraunhofer IBP aufgebaut hat. »Die Fassadenentwürfe sind überwiegend Prototypen oder Neuland, da greifen die klassischen Prüfmethoden meist nicht. Auch die Klimarandbedingungen des jeweiligen Standorts, an dem sich das Gebäude befindet, sind einzubeziehen«, schildert der Wissenschaftler weiter. »Die speziellen Gegebenheiten eines Bauvorhabens gehen wir flexibel an und sind dabei bestrebt, die Anforderungen aus den Leistungsverzeichnissen unserer Kunden auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten umzusetzen. Falls erforderlich, wählen wir auch unkonventionelle Ansätze. So haben wir ein mehrere Quadratmeter großes Glasdach in zwei Zonen aufgeteilt. Beide wurden im Parallelbetrieb, jedoch gegenläufig im zyklischen Wechsel von vier Stunden zuerst sengender, künstlicher Hochsommersonne und anschließend Wolkenbruch und Wintertemperaturen von minus 10 Grad Celsius ausgesetzt und das über einen Zeitraum von mehreren Monaten«.
Horizontale Flächen
Verkehrsflächen oder Dacheindeckungen sind ebenfalls von Interesse, denn durch den Klimawandel gewinnt die Erwärmung innerstädtischer Oberflächen zunehmend an Bedeutung. Ein hoher Versiegelungsgrad vermindert die Kühlung über Verdunstung, gleichzeitig speichern die Bauwerke selbst einen Teil der tagsüber eingestrahlten Energie. Bislang gibt es als einzigen Bewertungsmaßstab den sogenannten Solar Reflectance-Index (SRI). Allerdings bleiben beim Standardverfahren stärker strukturierte Oberflächen sowie instationäre Speichereffekte außen vor. Für beides erarbeitet Würth mit Hilfe des Sonnensimulators neue Bewertungsmöglichkeiten. Durch eine integrierbare Beregnung und Waage können auch weitere hygrothermische Untersuchungen, wie z.B. die Ermittlung der Verdunstungsleistung von Bauwerksoberflächen durchgeführt werden.
Simulationen kombinieren
Bei komplexeren Fragestellungen im Themenfeld Strahlung kombinieren die Wissenschaftler des Fraunhofer IBP Labor- und Freilanduntersuchungen. Die Laborbewitterung im Sonnensimulator kann in kurzer Zeit witterungsunabhängig und reproduzierbar die wichtigsten Eckdaten eines Aufbaus prüfen. In einer Freibewitterung oder im Kalorimetrischen Fassaden- und Dachprüfstand am Standort Holzkirchen lässt sich zudem das Verhalten unter realen, schwankenden Klimarandbedingungen erproben. Optimieren lassen sich die zum Teil aufwändigen Laborklimatests mit Hilfe von numerischen Simulationen durch Vorauswahl geeigneter Produktvarianten oder relevanter Randbedingungen. Spezielle Fragestellungen in den Versuchsaufbauten am Sonnensimulator zur Lichttechnik bearbeitet Würth zusammen mit den Spezialisten der Gruppe Lichttechnik und passive Solarsysteme.
Ein Abgleich der Ergebnisse aus Labor, Freiland und Berechnung bringt wertvolle Erkenntnisse und führt zu Synergieeffekten. So ergänzen und befruchten sich diese wissenschaftlichen Disziplinen im Fraunhofer IBP bestens und bieten Kunden eine individuelle Behandlung ihrer Fragestellungen sowie Ansätze für die weitere Optimierung ihrer Produkte.