Zur Bauphysik und Ökologie von grünen Gebäudehüllen

Zirkuläre monolithische Holzstützkonstruktionen für Pflanzen

Hintergrund und Herausforderungen

Der globale Verlust von Biodiversität ist eine der größten Herausforderungen der Gegenwart und unmittelbar mit der globalen Erwärmung verknüpft (Pörtner et al. 2023). Der urbane Raum spielt dabei eine Schlüsselrolle, da hier Grünflächen oft in direktem Konflikt mit dem Wohnraumbedarf stehen (Erlwein & Pauleit 2021) und die voranschreitenden Versiegelungen solcher Flächen das Stadtklima zunehmend beeinflussen:

In Städten sind die Emissionen von Treibhausgasen und Feinstaub pro Fläche deutlich höher als im ländlichen Raum (Marcotullio et al. 2014; Nematchoua, Sadeghi & Reiter 2021), gleichzeitig sind aufgrund dichter Bebauung und großflächiger Versiegelung Städte besonders stark von Überhitzung betroffen (Marando et al. 2022).

Da 71 Prozent der deutschen Bevölkerung in Großstadtregionen leben (Statistisches Bundesamt 2022), betreffen die klimatischen Folgen in urbanen Räumen einen Großteil der Gesellschaft. Urbaner Wohnraum ist gefragt, der bestehende Mangel an Sozialwohnungen unterstreicht den anhaltenden Bedarf an Neubauten (Pestel Institut gGmbH Hannover, 2024).

Trotz, oder grade wegen dieser räumlichen Enge sind grüne Infrastrukturen unablässig, da sie sich positiv auf die physische und psychische Gesundheit auswirken können (Elsadek, Liu & Lian 2019). Oft ist der städtisch verfügbare Raum nicht ausreichend für konventionelle grüne Infrastruktur wie Parkanlagen, eine Lösung hierfür sind Dach- und Fassadenbegrünungen.

Diese Begrünungsformen bieten sowohl klimatische Vorteile für das Gebäudeinnenklima als auch für das Stadtklima insgesamt. Es ist seit Langem bekannt, dass begrünte Fassaden die Innenraumtemperaturen von Gebäuden bei stark schwankenden Außentemperaturen stabilisieren können (Holm 1989).

Auch eine Filterwirkung von Feinstaubpartikeln durch vertikale Begrünung wurde beispielsweise für den gewöhnlichen Efeu (Hedera helix L.) nachgewiesen (Sternberg et al. 2010). In engen Häuserschluchten könnte der Effekt der vertikalen Begrünung für das Stadtklima der konventionellen Begrünung durch Stadtbäume überlegen sein, da es unter dem Kronenschirm der Bäume zu einer Aufkonzentration von Luftschadstoffen kommen kann (Bruse 2003). Fassadenbegrünungen hingegen ermöglichen leichter einen Luftmassenaustausch.

Ein weiterer Nutzen von Fassadenbegrünung ist ihr Wert für Aspekte der Biodiversität sowie die damit verbundenen natürlichen Ökosystemleistungen, wie die Bestäubung von Pflanzen. Fassadenbegrünungen dienen als Lebensraum für eine Vielzahl von Wirbellosen (Insekten, Spinnen etc.; Abbildung 1) sowie Wirbeltieren. Die Insektendiversität und insbesondere die Insektenbiomasse sind im urbanen Siedlungsraum deutlich geringer als in naturnäheren Habitaten wie Wäldern.

Insbesondere die vergleichsweise geringe Insektenbiomasse in den Städten deutet auf einem laufenden Verlust von Insektendichten mit fortlaufender Urbanisation hin (Uhler et al. 2021). Gleichzeitig treten immer häufiger problematische Massenarten auf, wie zum Beispiel der Eichenprozessionsspinner, da die natürliche Regulation durch Antagonisten fehlt (Rohe et al. 2020).

Obwohl das Interesse an Fassadenbegrünungen in den letzten Jahren deutlich zugenommen hat und das Angebot entsprechender Systeme wächst, basieren viele technische Umsetzungen zu großen Teilen auf nicht nachwachsenden Rohstoffen wie Stahl oder schwer abbaubaren Kunststoffen.

Häufig werden zudem Materialien verwendet, die nicht lokal verfügbar sind und deren Transport zusätzliche Treibhausgasemissionen verursacht. Wird Holz verwendet, bestehen die Tragkonstruktionen für Fassadenbegrünungen oft aus Hölzern, die mit schwer abbaubaren Bioziden behandelt sind. Diese Herausforderungen lassen sich durch den Einsatz natürlicher, dauerhafter Holzarten teilweise überwinden.

Robinie (Robinia pseudoacacia L.) und Edelkastanie (Castanea sativa MILL.) sind gegenüber feuchteinduziertem Pilzbefall sehr widerstandsfähig und können daher im Außenbau teilweise ohne zusätzliche chemische Behandlung eingesetzt werden. Dies ist zumindest für die Teile der Konstruktionen notwendig, die der Witterung ausgesetzt sind und an denen sich Wasser anreichern kann (Gebrauchsklassen 3.1 und 3.2), sowie für die Teile, die in direktem Bodenkontakt stehen (GK 4).

Allerdings sind diese dauerhaften Holzarten vergleichsweise teuer, oft in ihren Wuchsformen für eine bauliche Anwendung unvorteilhaft und nicht immer leicht verfügbar. Letzteres könnte sich mit voranschreitenden klimatischen Veränderungen jedoch ändern, da Robinie und Edelkastanie aufgrund ihrer Wärme- und auch bedingter Trockenangepasstheit in Deutschland im Rahmen klimawandelangepasster Forstkonzepte an Bedeutung gewinnen.

Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz neuartiger biobasierter Imprägnierungen, mit denen auch ursprünglich weniger für den Außenbau geeignete Holzarten in ihrer Dauerhaftigkeit verbessert werden können. Zu diesen Holzarten zählt zum Beispiel die heimische Waldkiefer (Pinus sylverstris L.), deren Kernholz über eine erhöhte natürliche Dauerhaftigkeit verfügt und deren Splintholz zwar nicht dauerhaft aber sehr gut imprägnierbar ist.

Die Waldkiefer ist mit einem Flächenanteil von 29 Prozent die bedeutendste Wirtschaftsbaumart in den niedersächsischen Wäldern und prägt insbesondere das nordwestdeutsche Tiefland (BMEL 2023). In dieser Region bestehen große Vorkommen von Kiefernstarkholz, das einen hohen Anteil an dem wenig dauerhaften aber sehr gut imprägnierbaren Splintholz aufweist. Die Nutzung dieser lokal verfügbaren und erschwinglichen Ressource für Holzstützkonstruktionen für Fassadenbegrünung sowie deren Entwicklung sind Ziele des Projekts CEE.

Projektziele

Das bis 2028 laufende Projekt CEE entwickelt nachhaltige Holzstützkonstruktionen für bodengebundene, selbstkletternde und windende Pflanzen und testet diese unter anderem auf bauphysikalische Eigenschaften wie dem Wärme- und Feuchteschutz, konstruktiven Holzschutz sowie ihren Wert für urbane Wirbellosen- und Wirbeltierdiversität. Ziel ist die Umsetzung und Untersuchung eines nachhaltigen, recyclebaren lebenden Gebäudemantels.

Hierfür kommt es in diesem Projekt, das von Prof. Dr. Wolfgang Rohe geleitetet wird, zu einer interdisziplinären Zusammenarbeit verschiedener Arbeitsgruppen:

Die Fakultät Bauen und Erhalten der Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst (HAWK) unter Prof. Dr. Till Böttger beschäftigt sich in diesem Projekt mit der Konzeption und Umsetzung der Holzkonstruktionen in monolithischer Bauweise, die eine zirkuläre Nutzung der Baumaterialien ermöglicht und fördert.

Die Konfektionierung und kraftschlüssige Verbindung der Holzeinzelteile werden durch digitale Planung und Fertigung gesteuert. Dabei werden Holzelemente entwickelt, die sowohl für Sanierungen, Bauen im Bestand als auch Neubau in Holzbauweise, die baukonstruktiven Anforderungen der lebenden Fassade ästhetisch und ökonomisch zusammenführen. Bei der Konzeptionierung fungiert die Fakultät Bauen und Erhalten als Schlüsselstelle, da hier holzschutztechnische, bauphysikalische, rechtliche und ökologische Anforderungen zusammengeführt werden.

Holzstützkonstruktion und Pflanzen gehen mit der Zeit eine Symbiose ein und beeinflussen sich gegenseitig, aber auch die Gebäude. Diese gegenseitigen Beeinflussungen hinsichtlich Wärme und Feuchte werden federführend durch das Institut für Baukonstruktion und Holzbau (iBHolz) der Technischen Universität Braunschweig unter Prof. Dr. Mike Sieder untersucht.

Weil sich die tatsächliche Feuchte in der Holzkonstruktion aber auch die Feuchteschwankungen erheblich auf die Dauerhaftigkeit der gesamten Konstruktion auswirken, werden diese Aspekte untersucht und zur Optimierung der Konstruktion an das Team von Prof. Böttger zurückgespiegelt. Um größere Holzquerschnitte realisieren zu können, werden ebenfalls Aspekte der Dauerhaftigkeit von Klebeverbindungen untersucht und optimiert.

Große Feuchteschwankungen führen nämlich bei solchen harten Holzarten wie Robinie und Edelkastanie zu Quell- und Schwindverformungen, die zu einer Zerstörung der Klebefuge führen können.

Abbildung 2 zeigt beispielhaft eine Probe aus einem Robinie-Brettschichtholz zur Untersuchung der Beständigkeit gegenüber Wechselklimaten. Die Abstände (Dehnung) zwischen vordefinierten Punkten werden während des Quellens und Schrumpfens des Holzes mittels optischer Verfahren gemessen, das um die Klebefuge herum auftritt.

Bei einer stabilen Klebefuge sollten die Dehnungen nur im Massivholz auftreten, das heißt entfernt von der Klebefuge. Weiterhin bietet das Gesamtsystem aus Holzstützkonstruktion und Pflanzen einen "Mantel" für das bestehende Gebäude, der die Umgebungsbedingungen hinsichtlich Wärme und Feuchte beeinflusst. Es werden also die thermoregulatorischen Eigenschaften der mit Pflanzen bewachsenen Konstruktionen überprüft. Ein weiterer Aspekt ist der der Tragfähigkeit. Zum Beispiel erreicht eine 25 Meter hohe Efeupflanze, ohne jeglichen Pflegeschnitt, im tropfnassen Zustand ein Gewicht von circa 2230 Kilogramm (FLL 2018).

Ein weiterer wichtiger Teil des Projektes ist die Nutzung von Kiefernsplintholz für den Bau der Holzstützkonstruktionen. Dieses Teilprojekt wird durch die Abteilung Holzbiologie und Holzprodukte der Universität Göttingen unter der Leitung von Prof. Dr. Holger Militz realisiert. Bereits heute stehen erhebliche Mengen dieses Rohstoffs zur Verfügung.

Prognosen aus dem Forschungsprojekt "KiefernStolz" deuten zudem darauf hin, dass das jährlich verfügbare Kiefernstarkholz in den kommenden Dekaden weiter deutlich ansteigen wird (Krenn et al. 2025). Untersuchungen zeigen dabei einen hohen Splintholzanteil. Dieses Kiefernsplintholz besitzt nur eine sehr geringe Dauerhaftigkeit (Dauerhaftigkeitsklasse 5) und ist ohne Behandlung im Außenbereich nicht einsetzbar – eine Nutzung wäre dennoch ökologisch wie ökonomisch attraktiv.

Im Projekt wird deshalb ein Holzmodifizierungsverfahren entwickelt, das die Resistenz des Splintholzes gegenüber holzabbauenden Pilzen für die Anwendung als Stützkonstruktion von Fassadenbegrünungen erhöht, ohne den Einsatz biozider Holzschutzwirkstoffe zu erfordern. Erste Vorversuche verfolgen einen Modifizierungsansatz auf Basis der biobasierten Verbindungen Sorbitol und Zitronensäure (Abbildung 3).

Parallel wird ein biobasiertes, fixierendes Brandschutzsystem für die Holzkonstruktion untersucht, um die Anforderungen an den baulichen Brandschutz auch bei einer begrünten Fassade sicherzustellen (Abbildung 4).

Eine zentrale Herausforderung ist die Kompatibilität der Brandschutzbehandlung mit der Sorbitol-Zitronensäure-Modifizierung sowie die dauerhafte gemeinsame Fixierung der Wirkstoffe im Holz, um die Anforderungen an Dauerhaftigkeit, Brandschutz und zirkuläre Nutzbarkeit gleichermaßen zu erfüllen.

Neben der Nutzbarkeit solcher begrünten Holzstützkonstruktionen im Bestand ist ein wichtiger Aspekt die Nutzung im Kontext der Bauwende. Die Bauwende bezeichnet den Wandel vom konventionellen hin zu ressourcenschonenderem Bauen, bei dem die zirkuläre Nutzung von Rohstoffen und andere nachhaltige Aspekte im Vordergrund stehen. Als Hersteller von leim- und metallfreien "Nurholz"-Massivholzelementen für Wand, Decke und Dach (Abbildung 5 & 6) ist hier die Rombach Bauholz + Abbund GmbH, vertreten durch Michael Kappler ein wichtiger Projektpartner.

Durch die Nutzung regionaler Baustoffe und durch schadstofffreies, holzbasiertes Bauen im Neubau ist die Firma Rombach ein zentraler Partner hinsichtlich Umsetzbarkeit, fachlicher Expertise im Holzbau sowie der Erschließung von Anwendungsmöglichkeiten. Hier besteht insbesondere Interesse daran, die thermoregulatorische Wirkung der begrünten Konstruktionen in Kombination mit Massivholzwänden zu testen und zu optimieren.

Die ökologische Betreuung und die Projektkoordination erfolgt durch die Fakultät Ressourcenmanagement der HAWK unter der Leitung von Prof. Dr. Wolfgang Rohe. Als Gerüstpflanzen werden Efeu (Hedera helix L.), Mauerwein (Parthenocissus quinquefolia L.) und dreispitzige Jungfernrebe (Parthenocissus tricuspidata Siebold & Zucc.) gezüchtet und erprobt (Abbildung 7). Besonders das Potenzial des Efeus als immergrüne Art steht hier im Vordergrund.

Des Weiteren werden die Holzstützkonstruktionen in Verbindung mit Nisthilfen für Insekten und Vögel sowie Fledermauskästen umgesetzt und deren Besucher während der Projektlaufzeit erfasst. Die Holzstützkonstruktionen mit verschiedenen Pflanzenarten werden in Bezug auf die Diversität von Wirbellosen und Wirbeltieren untersucht. Parallel findet eine deutschlandweite quantitative Erfassung der in Efeu und Mauerwein vorkommenden Wirbellosen und Wirbeltiere statt. Dabei soll insbesondere das bei Neubepflanzungen noch nicht erfassbare Potenzial adulter Pflanzen dokumentiert und der Einfluss von Exposition sowie Pflanzenart berücksichtigt werden.

Diese Erfassungen an älteren Fassaden sind für die ökologische Bewertung unerlässlich, da sich ein besonderer ökologischer Wert des Efeus, die späte Blüte adulter Pflanzen (Spätsommer bis Herbst), erst ab einem Alter von zehn Jahren zeigt.

Die späten Nektar- und Pollenvorkommen dienen verschiedenen Insekten als Nahrungsquelle und ermöglichen das Vorkommen von Arten wie der Efeuseidenbiene (Colletes hederae K. Schmidt & Westrich; Abbildung 1), deren Larven größtenteils von Efeupollen ernährt werden.

Auch viele parasitoide Insekten, wie Schlupfwespen und Raupenfliegen sind als Adulttiere auf Nektar angewiesen. Insofern fördern reichhaltige Blühangebote auch die biologische Schädlingsbekämpfung in der Stadt (Rohe et al. 2020).

Projektorganisation

Das interdisziplinäre dreijährige Forschungsprojekt "Zirkuläre monolithische Holzstützkonstruktionen für lebende Gebäudehüllen" wird von Prof. Dr. Wolfgang Rohe (HAWK, Fakultät Ressourcenmanagement, Mitarbeiter im Projekt: Johannes Lux) geleitet.

Die beteiligten Einrichtungen sind die Georg-August-Universität Göttingen (Abteilung Holzbiologie und Holzprodukte, Leitung: Prof. Dr. Holger Militz, Mitarbeiter im Projekt: Christoph Hötte, Philipp Schlotzhauer), die Technische Universität Braunschweig (Institut für Baukonstruktion und Holzbau, Leitung: Prof. Dr. Mike Sieder, Mitarbeiter:innen im Projekt: Norbert Rüther, Tomma Grensemann, Christian Keck), das Fraunhofer Institut für Holzforschung (Fachbereich: Holzwerkstoff- und Naturfaser-Technologien, Leitung: Dr. Dirk Berthold und Dr. Nina Ritter, Mitarbeiter im Projekt: Tobias Krenn, Filip Majstorovic), die Fakultät Bauen und Erhalten der HAWK (Leitung: Prof. Dr. Till Böttger, Mitarbeiter:innen im Projekt: Oguz Dede, Emelie Schmidt, Benjamin Seimer) und als Kooperationspartner die ROMBACH Bauholz + Abbund GmbH www.nur-holz.de (Teilprojektleitung: Dipl.-Holzing. Michael Kappler).

Finanzierung

Das Projekt wird mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und des Landes Niedersachsen durch die NBank finanziert.