Nachhaltigkeit
Adaptives „Solar Gate“-Beschattungssystem lässt sich von der Natur inspirieren, um die HVAC‑Effizienz zu steigern
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Die Klimakrise stellt eine große Bedrohung für unsere Umwelt und unser Leben dar. Dies hat die Reduzierung von Kohlendioxid (CO2)-Emissionen zu einer dringenden globalen Notwendigkeit gemacht.
Die gebaute Umwelt ist tatsächlich für etwa 42% der jährlichen globalen CO2-Emissionen verantwortlich. Während Gebäudebetriebe hauptsächlich dafür verantwortlich sind, spielen Bau- und Infrastrukturmaterialien hier ebenfalls eine große Rolle.
Dies macht es zur treibenden Kraft des Klimawandels, dessen negative Auswirkungen bereits zu sehen in häufigen und stärker schädlichen Wetterereignissen.
Daher müssen wir nicht nur adaptive Fassaden bauen, die das Potenzial haben, den Bedarf an aktiver Heizung und Kühlung zu reduzieren und damit den Energieverbrauch und die Umweltbelastung von Gebäuden zu verringern, sondern auch robustere Architektur, die den durch den Klimawandel gestellten Herausforderungen standhalten kann.
Um solche adaptiven Fassaden zu bauen, müssen Architekten Gestaltungsstrategien nutzen, die die einzigartigen lokalen Umweltmerkmale einbeziehen. Das bedeutet einfach, klima‑responsive Architektur zu priorisieren.
Diese Art von Architektur konzentriert sich darauf, energieeffiziente Gebäude zu entwerfen, die genau dem Klima entsprechen, in dem sie gebaut werden. Das erfordert die Berücksichtigung von Faktoren wie Saisonalität, natürlicher Beschattung, Niederschlagsmustern, Luftfeuchtigkeit usw.
Statt gegen das lokale Klima zu arbeiten, nutzen klima‑responsive Gebäude die regionalen Bedingungen, um dem Nutzer maximalen Komfort zu bieten und dabei so wenig Energie wie möglich zu verbrauchen.
Durch diesen Ansatz, passive Gestaltungsstrategien umzusetzen, können Städte und Gemeinden gebaut werden, die sie vor der zunehmenden Häufigkeit und den Grausamkeiten schwerer Wetterereignisse, die durch den Klimawandel verursacht werden, schützen.
Neben der Verbesserung der Resilienz von Gebäuden, indem sie besser auf Wetter- und Naturkatastrophen vorbereitet werden, bietet klima‑responsive Architektur den Vorteil reduzierter Betriebskosten durch die Nutzung natürlicher, passiver Systeme.
Durch die Nutzung von Tageslicht und natürlicher Belüftung anstelle von elektrischen Systemen, können energierelevante Betriebskosten erheblich gesenkt werden. Der extensive Einsatz dieser passiven Systeme hat das Potenzial, den Energieverbrauch um bis zu 90 % zu reduzieren. Diese passiven Systeme, wie natürliche Luftströmungen, steigern sogar die Produktivität der Nutzer.
Durch die Verbesserung der Energieeffizienz, die Reduzierung von Kohlenstoffemissionen und den Schutz natürlicher Ressourcen trägt diese Architektur zudem zur Förderung ökologischer Nachhaltigkeit bei.
Allerdings gehen klima‑responsive Gebäude auch mit der Herausforderung hoher Anfangskosten einher, bedingt durch die Verwendung nachhaltiger Materialien sowie den langen und komplexen Bauprozess. Zudem gibt es regulatorische Hürden.
Zwar ergreifen Regierungen Initiativen, und die Vorschriften zur Energieeffizienz von HVAC und zur Wärmedämmung haben Fortschritte gemacht, doch es mangelt weiterhin an unterstützenden Regelungen für klima‑responsive Entwürfe. Die Verbreitung dieser Architekturen erfordert zudem einen Fokus auf Bildung und Investitionen in entsprechendes Fachwissen.
Trotz der Herausforderungen beobachten wir ein wachsendes Interesse an solchen Gebäuden. Zu den Kernelementen eines solchen adaptiven Designs gehören die Nutzung natürlicher Quellen für Luftstrom und Belüftung, ein passives Solardesign, das die Sonnenposition berücksichtigt, natürlich nachhaltige Materialien wie Holz und Bambus sowie grüne Elemente auf Dächern und Wänden.
Bioinspirierte wetterresponsive adaptive Beschattung
Im Bereich der klima‑responsive Architektur sind adaptive Beschattungssysteme eine hervorragende Möglichkeit, das Innenklima effizienter zu regulieren, indem sie ihre Form, Ausrichtung oder thermischen Eigenschaften dynamisch an äußere Wetterbedingungen anpassen.
Das Problem bei diesen kinetischen Beschattungssystemen liegt jedoch in ihrer Abhängigkeit von Betriebsenergie, um elektromechanische Geräte zu aktivieren, die mehrere bewegliche Teile antreiben. Diese komplexen Baugruppen sind anfällig für Fehlfunktionen, die dann kostspielige Reparaturen erfordern.
Während es Alternativen in Form von passiv getöntem Sonnenschutzglas gibt, filtern diese zu viel natürliches Licht heraus. Also, was ist die Lösung? Nun, sie liegt in der Natur.
Eine neue Studie1 von Forschern der Universitäten Freiburg und Stuttgart wandte sich an die Natur und stellte fest, dass bereits Lösungen für die Anpassung existieren. Sie sind von biologischen Materialien inspiriert und reagieren passiv auf äußere Reize.
Die Lösung, die die Forscher als Modell nahmen, waren Kiefernzapfen, die auf die Umgebung reagieren und ihre Form ändern, obwohl sie vollständig aus totem Material bestehen. Der Kiefernzapfen öffnet und schließt sich als Reaktion auf Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen, ohne dabei metabolische Energie zu verbrauchen.
Unter Verwendung von Kiefernzapfen als Modell entwickelten die Forscher ein neues, energieautarkes Fassadensystem, das sich passiv dem Wetter anpasst. Das als „Solar Gate“ bezeichnete System wurde in der livMatS Biomimetic Shell der Universität Freiburg installiert. livMatS, oder „Living, Adaptive and Energy‑autonomous Materials Systems“ (livMatS), ist ein Forschungsgebäude.
Statt sich wie die meisten Versuche zur Responsivität von architektonischen Fassaden auf „aufwändige technische Geräte“ zu verlassen, untersucht diese Forschung, „wie wir die Responsivität des Materials selbst durch fortschrittliches computergestütztes Design und additive Fertigung nutzen können“, sagte Professor Achim Menges, Leiter des Instituts für Computational Design and Construction (ICD) an der Universität Stuttgart.
Laut Menges, der zudem Sprecher des Clusters of Excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) ist, hat ihr Ansatz es ihnen ermöglicht, ein Beschattungssystem zu realisieren, das autonom auf Wetteränderungen reagiert und sich öffnet bzw. schließt.
Dieser Effekt wird erreicht ohne den Einsatz von mechatronischen Elementen oder Betriebsenergie. Hier ist „die Biomaterialstruktur selbst die Maschine“.
Dieses wetterresponsive, adaptive Beschattungssystem ist das erste, das ohne elektrische Energie arbeitet. Zusätzlich zum bioinspirierten Design nutzten die Forscher natürliche Materialien und allgemein zugängliche Technologien für das „Solar Gate“.
Die hier verwendete Technologie war 3D‑Druck, auch bekannt als additive Fertigung, die die Herstellung komplexer Formen ermöglicht. In diesem Prozess werden dreidimensionale Objekte aus einer digitalen Datei durch Auftragen aufeinanderfolgender Materialschichten erzeugt. 3D‑Druck ermöglicht schnelles Prototyping, Individualisierung, Kosteneinsparungen und hohe Genauigkeit und bietet zudem gestalterische Freiheit.
Das Team nutzte Standard‑3D‑Drucker, um die richtungsabhängige Struktur von Cellulose in Pflanzengeweben nachzubilden.
Cellulose ist die häufigste Biomasse auf der Erde. Sie ist zudem ein natürliches, kostengünstiges, biologisch abbaubares und erneuerbares Material, das vor allem inhärente hygromorphe Eigenschaften besitzt, wodurch adaptive Beschattung nachhaltig gestaltet werden kann.
Diese hygromorphe Eigenschaft, die das Auf‑ und Abschwellen bei Feuchtigkeitsänderungen beschreibt, ist in der Natur häufig zu beobachten. Das Öffnen und Schließen der Schuppen von Kiefernzapfen ist ein Beispiel dafür.
Unter Ausnutzung dieser Eigenschaft entwickelte das Team biobasierte Cellulosefasern und 4D‑druckte sie anschließend zu einer zweischichtigen Struktur, inspiriert von den Schuppen der Kiefernzapfen.
Die Forscher entwickelten zudem eine rechnergestützte Fertigungstechnik, um die Extrusion von cellulosischen Materialien mittels FFF‑3D‑Drucker zu steuern.
Die hier erzeugten Materialsysteme können ihre Form autonom an äußere Reize anpassen. Die cellulosischen Materialien nehmen Feuchtigkeit auf und quellen bei hoher Luftfeuchtigkeit, wodurch die Elemente sich wölben und öffnen. Bei niedriger Luftfeuchtigkeit geben sie Feuchtigkeit wieder ab und ziehen sich zusammen, wodurch die gedruckten Elemente flach werden und schließen.
“Inspiriert von den hygroskopischen Bewegungen der Schuppen von Kiefernzapfen und den Hüllblättern der Silberdistel, hat Solar Gate nicht nur die hohe Funktionalität und Robustheit biologischer Vorbilder in ein bioinspiriertes Beschattungssystem übertragen, sondern auch die Ästhetik von Pflanzenbewegungen.”
– Professor Thomas Speck, livMatS Sprecher und Leiter der Plant Biomechanics Group Freiburg an der University of Freiburg
Das bioinspirierte adaptive Beschattungssystem wurde bereits getestet in der realen Welt hinsichtlich seiner Funktionalität und Haltbarkeit. Das Team installierte es im nach Süden ausgerichteten Oberlicht der livMatS Biomimetic Shell, das zur Regelung des Innenklimas des Gebäudes beiträgt.
Während des Zeitraums von mehr als einem Jahr, wurde beobachtet dass im Winter die 4D‑gedruckten Beschattungselemente sich öffnen und natürliche Heizung durch Sonnenlicht ermöglichen, während sie im Sommer geschlossen bleiben, um die Sonneneinstrahlung zu reduzieren.
Das „Solar Gate“ wird ausschließlich durch Wetterzyklen angetrieben und benötigt keine elektrische Energie, was es zu einer ressourceneffizienten und energieautarken Alternative zu herkömmlichen Beschattungssystemen macht. Das bioinspirierte 4D‑gedruckte Beschattungssystem bietet zudem Vorteile wie niedrige Kosten, geringen Materialverbrauch, leichtes Design und erhöhte Betriebsrobustheit.
Dieses System hat laut den Forschern weitreichendere Auswirkungen als nur Gebäudefassaden. Sie schrieben, dass es auch breitere Bereiche von Architektur, Ingenieurwesen und Bauwesen beeinflussen kann.
In zukünftigen Arbeiten werden die Forscher die UV‑induzierte Degradation und deren Langzeiteffekte sowie den mechanischen Verschleiß am Solar Gate genauer untersuchen und die Verbesserung der Innenklimaregulierung quantifizieren.
Adaptive Dachziegel
In der Vergangenheit haben wir auch behandelt, wie Wissenschaftler an der University of California, Santa Barbara, entwickelten adaptive Dachziegel. Diese Ziegel könnten die Energiekosten erheblich senken. Ihr Geheimnis ist ein „radiativer Schalter“, der zwischen Heiz- und Kühlmodi wechselt und auf die Außentemperatur reagiert. Die Ziegel passen sich innerhalb von 3 Grad Celsius an das Ziel an. Und im Vergleich zu herkömmlichen Systemen sind sie über 2,5‑mal effizienter. Das Ergebnis sind niedrigere Rechnungen und weniger Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen.
Im Kern dieser Innovation steht ein kleines, 4‑Zoll‑großes quadratisches Gerät. Es passt die abgestrahlte Wärme je nach Wetterlage an. Ziel ist es, die Innentemperatur konstant zu halten – etwa 65 °F (18 °C) – ohne ständige Stromzufuhr. Diese Technologie ist jedoch noch nicht auf dem Markt, aber sobald sie verfügbar ist, könnte sie Energie sparen, Kosten senken und dazu beitragen, Gebäude umweltfreundlicher zu machen.
Unternehmen
Werfen wir nun einen Blick auf einige börsennotierte Unternehmen, die sich durch ihren Fokus auf innovative Lösungen für Energieeffizienz, Gebäud Nachhaltigkeit und Materialleistung mit adaptiver Architektur beschäftigen.
1. Johnson Controls International
Johnson Controls bietet das größte Portfolio an HLK‑Geräten und -Steuerungen für komfortablere, gesündere und nachhaltigere Gebäudeumgebungen. Die HLK‑Lösungen des Unternehmens können messbar saubere Luft bereitstellen und eine vollständige Klimasteuerung bieten. Seine prädiktiven und diagnostischen Dienste erkennen zudem strukturelle Probleme, bevor Schäden durch seismische Ereignisse entstehen. Darüber hinaus bietet es geplante und vorbeugende Wartung sowie Ferngebäudemanagement.
Im Wettlauf zur Dekarbonisierung stellt Johnson Controls Nachhaltigkeit durch seine effizienten Heiz‑ und Kühlsysteme sicher, die eine effektive Klimasteuerung bei optimiertem Energieverbrauch bieten. Das Portfolio des Unternehmens an HLK‑Geräten ist konstruiert um die Energieeffizienz zu maximieren.
Neben HLK‑Systemen bietet das Unternehmen zudem die IoT‑Plattform OpenBlue, die intelligente und proaktive Betriebsführung und Optimierung ermöglicht. Die Plattform kann eine Million Datenpunkte pro Minute verarbeiten und zielt darauf ab, Gebäude intelligenter und effizienter zu machen.
Johnson Control nutzt zudem intensiv KI in seinen Sicherheitslösungen für Unternehmens-, Gewerbe- und Wohnumgebungen. Das Unternehmen hat seine KI‑Fähigkeiten im OpenBlue Enterprise Manager weiter ausgebaut, um Daten‑Insights auf die nächste Stufe zu heben. Diese Verbesserungen, zusammen mit Geräte‑Upgrades und proaktiven Services, ermöglichen Kunden eine Reduzierung des Energieverbrauchs um bis zu 30 %, des Wartungsaufwands um bis zu 20 % und eine um 10 % optimiertere Flächennutzung.
“Diese neuen KI‑gesteuerten Funktionen verbessern nicht nur die Betriebseffizienz und Nachhaltigkeit, sondern befähigen Gebäudeeigentümer und -betreiber mit beispiellosen Einblicken und Kontrolle. Wir verpflichten uns, Innovationen voranzutreiben, die Automatisierung fördern und intelligentere, reaktionsfähigere Umgebungen für unsere Kunden schaffen.”
– CTO Vijay Sankaran
Zum Zeitpunkt der Erstellung werden JCI-Aktien zu $82,10 gehandelt, ein Anstieg von 4,02 % im Jahresverlauf, bei einer Marktkapitalisierung von $54,19 Mrd. Johnson Controls hat ein EPS (TTM) von 2,09, während das KGV (TTM) bei 39,27 liegt. Das Unternehmen zahlt eine Dividendenrendite von 1,80 %.
JCI Preisdiagramm
Im zuletzt gemeldeten Quartal, d. h. Q3 2024, lag der Umsatz von Johnson Controls mit $6,25 Mrd. unter den Erwartungen. Der nicht‑GAAP‑Gewinn von $1,28 pro Aktie übertraf jedoch die Konsensschätzungen der Analysten um 2,6 %. CEO und Vorsitzender George Oliver erklärte damals, sie seien „sehr zufrieden“ mit dem Erreichen eines „zweistelligen organischen Umsatzwachstums und einer robusten Margenerweiterung“.
Laut Statista generierte Johnson Controls im Geschäftsjahr 2023 einen globalen Nettoumsatz von fast $26,8 Mrd., ein Anstieg von fast 6 % gegenüber dem Vorjahr.
Kürzlich hat das Unternehmen das in den Niederlanden ansässige Webeasy übernommen, einen Anbieter von Gebäudeautomation und -steuerungen, der mit der Mission von Johnson Controls, energieeffiziente und nachhaltige Gebäudelösungen zu innovieren, in Einklang steht.
2. Owens Corning
Als Anbieter von Bau- und Konstruktionsmaterialien hat Owens Corning (OC ) vier Geschäftsbereiche: Dachdeckungen, Türen, Verbundstoffe und Dämmungen.
Die Dämmstofflösungen des Unternehmens eignen sich für praktisch jede Bausituation und decken Außenwände, Dachsysteme und HLK ab. Seine Gebäudelösungen bieten Energie- und Bauvorschriftenkonformität, hohe thermische Leistung, Luft-/Wasserbeständigkeit, Feuchtigkeitskontrolle und akustische Eigenschaften.
Kunden schätzen die Dämmungsprodukte des Unternehmens wegen ihrer Energieeffizienz, Langlebigkeit, dauerhaften Leistung, einfachen Installation und minimalem Wartungsaufwand.
OC Preisdiagramm
Zum Zeitpunkt der Erstellung werden OC-Aktien zu $187,57 gehandelt, ein Anstieg von 10,13 % im Jahresverlauf, bei einer Marktkapitalisierung von $16,09 Mrd. Owens Corning hat ein EPS (TTM) von 11,76, während das KGV (TTM) bei 15,96 liegt. Das Unternehmen zahlt eine Dividendenrendite von 1,47 %.
Bezüglich der Unternehmensfinanzen meldete das Unternehmen für das dritte Quartal 2024 einen Nettoumsatz von $3 Mrd., was einem Anstieg von 23 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Das neu erworbene Türen‑Geschäft trug mehr als eine halbe Milliarde Dollar dazu bei. Das ausgegebene verwässerte EPS betrug $3,65 und das bereinigte verwässerte EPS $4,38. Der freie Cashflow betrug in diesem Zeitraum $558 Mio.
Owens Corning hat insgesamt $252 Millionen an seine Aktionäre durch Dividenden und Aktienrückkäufe zurückgezahlt. Zum Thema finanzielle Stärke sagte Chief Financial Officer Todd Fister:
“Wir haben die starke Ertragskraft und das Cash‑Generierungspotenzial des Unternehmens demonstriert. Unser Team erzielte ein Wachstum von Umsatz und Ergebnis dank erstklassiger kommerzieller und operativer Umsetzung.”
Im Hinblick auf die Nachhaltigkeitsbemühungen des Unternehmens trägt das Produktportfolio von Owens Corning dazu bei, dass Kunden Energie sparen und Emissionen reduzieren. Im Nachhaltigkeitsbericht 2023 wurden 14 Produkte von Owens Corning als zu 100 % mit erneuerbarem Strom hergestellt zertifiziert und machten ein Viertel des Gesamtumsatzes des Unternehmens aus.
Das Unternehmen berichtete zudem, dass es eine Reduzierung der Scope‑1‑ und Scope‑2‑Emissionen um 28 % gegenüber dem Basisjahr 2018 erreicht hat, was es seinem Ziel, die Treibhausgasemissionen bis 2030 um 50 % zu senken, näher bringt. Owens Corning hat auch Fortschritte bei dem Ziel gemacht, bis zum Ende dieses Jahrzehnts in den USA jährlich zwei Millionen Tonnen Dachschindeln zu recyceln.
Das Baumaterialunternehmen hat zudem in eine 52.000 m² große Glasmatten‑Produktionsanlage investiert, um die Branche mit nachhaltigen und stärkeren Baumaterialien zu versorgen.
Fazit
Globale CO₂-Emissionen steigen rasant, was zu einem Anstieg der Erdtemperatur, extremen Wetterereignissen, vermehrten Waldbränden und Störungen der Nahrungsmittelversorgung führt. Da Gebäude einen beträchtlichen Anteil der globalen CO₂-Emissionen ausmachen, ist es äußerst wichtig, dass wir die für Heizung, Kühlung und Belüftung benötigte Energie reduzieren. Gleichzeitig müssen die Bauwerke in der Lage sein, Klimakatastrophen standzuhalten.
Die Antwort auf beide Bedürfnisse ist klima‑responsive Architektur, die erfordert, das lokale Klima und die geografischen Besonderheiten der Region in die Bauplanung zu integrieren. Angesichts des großen Potenzials klima‑responsiver Architektur, die globalen CO₂‑Ausstoß im Sektor zu senken und die Abfallproduktion zu begrenzen, besteht ein Bedarf an regulatorischer Unterstützung und natürlich an kontinuierlicher Innovation.
Studien wie das „Solar Gate“ bieten vielversprechende Lösungen, die die Umweltprobleme angehen und den funktionalen Anforderungen der gebauten Umwelt gerecht werden. Sie verdeutlichen zudem das Potenzial zugänglicher Technologien wie der additiven Fertigung und reichlich vorhandener, erneuerbarer Materialien wie Cellulose für nachhaltige architektonische Lösungen.
Durch die Nutzung natürlicher Materialien und bioinspirierter Designs sowie digitaler Fertigungstechniken können wir sichere, langlebige Strukturen und eine resiliente Zukunft schaffen!
Studienreferenz:
1. Cheng, T., Tahouni, Y., Sahin, E. S., Ulrich, K., Lajewski, S., Bonten, C., Wood, D., Rühe, J., Speck, T., & Menges, A. (2024). Weather-responsive adaptive shading through biobased and bioinspired hygromorphic materials. Nature Communications, 15, Article 54808. https://www.nature.com/articles/s41467-024-54808-8
