Sun Skins und Solar Spl i ne Innovative Verknüpfung von Lehre und Forschung

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1 Sun Skins und Solar Spl i ne Innovative Verknüpfung von Lehre und Forschung Die beiden lose verknüpften, insgesamt auf ein Jahr angelegten Projekte Sun Skins und Solar Spline sind Lehr- und Forschungskooperationen zwischen dem Fachgebiet für Experimentelles Entwerfen und Konstruieren des Studiengangs Architektur der Universität Kassel und dem Labor für Digitale 3D-Technik der Kunsthochschule Kassel. Teilgenommen haben Studierende aus den Bereichen Architektur, Stadt- und Landschaftsplanung, Produktdesign, Elektrotechnik und Informatik. Thematisch versuchen die Entwurfsprojekte neue Typologien für Fassadensysteme zu entwickeln, um passive Verschattung, kinetische Elemente und solare Energiegewinnung in räumlichen Strukturen zu vereinen. Dieser Gegenstand fügt sich damit inhaltlich in das fortlaufende Forschungsinteresse des Fachgebiets Ex perimentelles Entwerfen und Konstruieren. Die Strukturen sollten auf sich ändernde Umweltbedingungen reagieren und sich unterschiedlichen Gebäudegeometrien anpassen können eine komplexe Aufgabenstellung mit einfacher Grundidee: Verschattungsflächen machen dort Sinn, wo starke Sonneneinstrahlung wirkt, dies sind dann auch Stellen, an denen Potentiale für reiche Solarernten bestehen. Um die Anforderungen von Energieerzeugung und architektonischen Funktionen zu moderieren, werden bewegliche Elemente eingesetzt. Digitale, algorithmische Modellierung computergesteuerte Fertigung sind die inhaltlichen Schwerpunkte der Digitalen 3D-Technik der Kunsthochschule Kassel. Neben den hier beschriebenen Projekten sind sie seit weit über zehn Jahren inhaltliche Klammer für viele weitere Kooperation in Lehre und Forschung mit verschiedenen Fachgebieten, vor allem der Architektur Digitale Entwurfsmethoden, Tragkonstruktion, Experimentelles Entwerfen und Konstruieren. Sie haben zu zahlreichen Seminaren, Projekten und wis senschaftlichen Veröffentlichungen geführt. Dabei gab es immer wieder internationale Zusammenarbeit mit anderen Universitäten und Kooperationen und Unterstützung durch Partner aus der Wirtschaft. Wir danken der Firma Opvious, der Leitlinien AG der Kunsthochschule sowie der Einrichtung Lehre für einen nachhaltigen Campus der Universität für die freundliche Unterstützung. Betreuung Sun Skins und Solar Spline Experimentelles Entwerfen und Konstruieren, Studiengang Architektur, Universität Kassel Prof. Frank Stepper, Dipl.-Ing. M.Arch Timo Carl Entwurfsthemen dieser Art sind nicht mehr von Einzelkämpfern zu bewältigen. Sie fordern und fördern sehr unterschiedliche Aspekte gestalterischen Wissens, insbesondere eine breite Methodenkompetenz vor allem den ständigen und selbstverständlichen Wechsel zwischen dem tradierten Methodenkanon und den sich dynamisch entwickelnden, computergestützten Entwurfsstrategien. Bei letzteren waren dies in den beiden Projekten vor allem Parametrische Modellierung, Solare Analyse und Physikalische Simulation. Digitale 3D-Technik, Kunsthochschule Kassel Dr. Markus Schein Studierende Solar Spline Wassim Daabou, Mahmoud Dames,, Anne-Marie Kroworsch, Elena Matveev, Steffen Och, Lisa Schreiber, Ahmed Teftafeh, Tuantai Truong Studierende Sun Skins Alireza Abolqasemzade, Azin Afroozian, Andres Arias, Anne Bade, Fabian Braun, Hidir Denizhan, Harun Faizi, Serdar Firat, Andreas Goebert, Lisa Heinze, Nathalie Indra, Annemarie Kroworsch, Katharina Lawatsch, Adan Lopez, Elena Matveev, Bahareh Mojtahednazari, Maryam Naghizadehdehno, Milad Ranjbari, Gabriel Rumpf, Mashkal Saed, Ali Seker Studentische Tutoren Joost Fähser, Grischa Göbel, Lisa Heinze, Mario Scherff, Bastian Wiesel

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3 Sun-Skins Build Design Reserach Entwurfsprojekt zu adaptiven Solarfassaden PROJEKTANTRAG LEHRE FÜR EINE NACHHALTIGE UNIVERSITÄT eek Experimentelles Entwerfen und Konstruieren Prof. Dipl.-Ing. Frank Stepper Dipl.-Ing. M.Arch. Timo Carl > Technik Digitale 3D-Technik und parametrisches Design Dr.phil. Dipl.-Des. Markus Schein >

4 [ INHALT ] Projektskizze Sun-Skins II 01 Lehrstruktur Projektstudim 02 Organisation Projektstudium 03 Projektbeispiel Solar Swarm 04 Projektbeispiel Miuso 05 [ 01 Projektskizze Sun-Skins Build ] Gegenstand des Projektstudiums Sun-Skins I im WS 2016/17 war Konzeption, Entwurf und Entwicklung von zwei unterschiedlichen adaptives Sonnenschutzsystemen mit solar-aktiven Flächen. Nach dem Moto: Wo viel Fläche für die Verschattung einer Gebäudehülle oder -struktur aufgewendet wird, kann diese Fläche auch für die Gewinnung von elektrischer Energie verwendet werden kann. Es sind dabei prototypisch zwei kinetische Ansätze entstanden, welche sich auf unterschiedliche Gebäudegeometrien anwenden lassen. Durch die Koppelung von Sensorik und Steuerung sind beide Systeme in der Lage durch eine kinetische Veränderung der einzelnen PV Elemente auf unterschiedliche Sonnenstände und damit auf verschiedene Einstrahlrichtungen und intensitäten zu reagieren. Die damit einhergehende Dynamik, ermöglicht es aktiv zwischen äußeren Bedingungen [Sonne, Wind, Klima] und inneren Bedürfnissen [Nutzer, Funktion] zu vermitteln. Die Projektdokumentation belegt, dass ein auf solche Art bewegtes, sonnenfühliges System auch zu neuen ästhetischen Ausdrucksformen führen kann. Besonders erfolgreich verlief die interdisziplinär angelegte studentische Zusammenarbeit, für die Lösung dieser komplexen Aufgabe an der Schnittstelle von Architektur, Design, Elektrotechnik und Informatik. Daher planen wir mit Sun-Skins Build eine der beiden Projektideen im Sommersemester 2017 in Form einer größeren Installation oder eines Pavillons umzusetzen. Dieser funktionsfähige Prototyp soll für den Rundgang der Kunsthochschule Kassel oder für einen Standort am Campus Holländische Straße der Universität Kassel im Sommer 2017 umgesetzt werden. Ein erfolgreicher Prototyp könnte sowohl einen Beitrag zur Verbesserung der Energieeffizienz für Bestandsgebäuden der Universität Kassel leisten, [Verringerung der solaren Hitzeeinträge im Sommer] als auch zur uni-eigenen Stromerzeugung auf Basis von erneuerbaren Energien beitragen. Die geometrische Flexibilität und das

5 geringe Flächengewicht der Entwurfsansätze ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Ein realistisches Szenario wäre zum Beispiel die Überdachung eines kleinen Hofes oder Platzes. Der Gestaltungseffekt eins adaptiven Solarsystems, welches durch Bewegung, Licht und Farbe entsteht, kann natürlich auch auf einer qualitativen Ebenen für alternative Energiegewinnung begeistern und zur Identifikation mit einem nachhaltigen Campus der Universität Kassel beitragen. Für die Umsetzung dieses Vorhabens ist eine weitere Unterstützung durch E-Technik und Informatiktutoren allerdings unerlässlich. [ 02 Lehrstruktur Projetkstudium ] [ Zielgruppe ] Exemplarische Darstellung Pavillon Installation Dr. Markus Schein Die Erfahrungen aus dem ersten Teil des Sun-Skins Projekts im WS 2017 haben gezeigt, dass sich auch komplexe architektonsiche Aufgaben durch interdisziplinäre studentische Teams lösen lassen. Da dieser modus operandi dem zukünftigen Arbeitsleben vorweggreift, ist eine interdisziplinär angelegtes Projektstudium besonders sinnvoll. Auch das Curriculum des Sun-Skins Build Projektes ist daher wieder interdisziplinär angelegt. Stand im Sun-Skins Projekt das Erstellen eines funktionsfähigen Prototyps im Vordergrund liegt im Sun-Skins Build Projekt der Schwerpunkt auf dem Bau eines funktionsfähigen Systems. Wir sind uns sicher, dass sich Studierenden verschiedener Fachbereiche durch Forschergeist, Eigeninitiative und Improvisation dabei wieder anspruchsvolle Problemstellungen lösen und sich neues Wissen aneignen können. Das Projektstudium von Sun-Skins wird im Sommersemester 2017 durch die Fachgebiete experimentelles Entwerfen und Konstruieren, Prof. Frank Stepper, des FB 06 sowie von Dr. Markus Schein (Digitale Entwurfs- und Fertigungsmethoden) von der Kunsthochschule angeboten und betreut werden. Das Team soll dabei wieder von zwei studentischen Hilfskräften des FB 16 des Regenerative Energien und Energieeffizienz (re²), sowie einem Masterstudenten des FG Rechnerarchitektur und Systemprogrammierung unterstützt werden. Diese Unterstützung wird durch die Förderung Lehre für einen Nachhaltiger Campus ermöglicht.

6 Das Projektstudium Sun-Skins Build kann für die Dauer von einem Semester belegt werden und ist für Studierende folgender Studiengänge offen: Master Regenerative Energien und Energieeffizienz (re²) Master Architektur Master Produktdesign & Neue Medien Master Maschinenbau Master Umweltingenieurwesen Master Informatik Bachelor Elektrotechnik / Informatik Projektbeispiel Solar Swarm. Einzelmodul und architektonische Visualisierung. Das Projektstudium wird für den Master Architektur mit einem Umfang von 8 SWS im Rahmen der Mastervertiefung Design Research angeboten. Sun-Skins wurde aufgrund der hohen Komplexität der Aufgabe als zweisemestriges Projekt angelegt. Sun-Skins Build ist die Fortsetzung des erfolgreich abgeschlossenen ersten Teils. Begleitend zum Projekt (Sommer 2017) wird wieder ein Sun-Skins Build Projektseminar im Umfang von 4 SWS angeboten. In dieser Veranstaltung wird Grundlagenwissen für die verschiedenen Themenbereiche erarbeitet, welche für das Sun-Skins Build Projektes relevant sind. Beim Bau des funktionsfähigen Prototyps im Sommer 2017 wird das studentische Team von der Fassadenbaufirma Frener & Reifer aus Südtirol Unterstützung erhalten. Im Idealfall finden sich für das Sommersemester 2017 noch weitere interessierte Studierende aus anderen Fachbereichen. Wir sind diesbezüglich mit dem FB 16 Elektrotechnik / Informatik mit Dr. Christian Nöding in Kontakt. Eine Teilnahme an Sun-Skins Build kann auch für den Bereich Schlüsselkompetenzen für umwelt und nachhaltigkeitsbezogenes Wissen anerkannt werden. Da die Arbeitsbelastung im Studiengang Architektur durch das projektspezifische Studienangebot relativ hoch ist, können nach Absprache für Studierende anderer Fachbereiche individuelle Absprachen zum Arbeitsumfang getroffen werden. Als Prüfungsleistung können wieder spezifische Teilaufgaben von Sun- Skins Build bearbeitet werden. [ z.b. Ansteuerung der Sensorik, Aktuatoren, Zwischenspeicherung Solarstrom] Wichtiger als eine bestimmte Prüfungsleistung, welche nicht direkt zum Erfolg des Projektes beitragen, sind das persönliche Engagement und die Bereitschaft zum Teamwork der Studierenden.

7 [ 03 Organisation Projektstudium ] Das Projektstudium Sun-Skins wird vom FG experimentelles Entwerfen und Konstruieren in Kooperation mit Dr. Markus Schein (Digitale Entwurfs- und Fertigungsmethoden) angeboten. Das Projektstudium Sun-Skins Build wird wieder im Vorlesungsverzeichnis der Kunsthochschule, sowie des FB ASL eingestellt. Im Vorfeld wurden auch gezielt wieder Studierende des Fachbereiches ASL auf das Projektangebot aufmerksam gemacht. Weitere Werbung durch die Profilentwicklung Umwelt begrüßen wir. Es lassen sich mit diesem Antrag sicherlich nicht alle Details und Fragen beantworten. Deshalb stehen wir gerne für Fragen und Anregungen zur Verfügung. Interdisziplinäre studentische Teams entwickelten im WS 2016/17 auf gestalterischer und funktionaler Ebene kinetische Module für eine räumliche Fassade.

8 [ 04 Projektbeispiel Solar Swarm Einzelmodul ] Grundlage des Solar Swarm ist ein pneumatisch bewegtes Modul. Dadurch ist eine Reaktion auf sich ändernde Umweltbedingungen oder Anforderungen von Gebäudenutzern möglich. Entwickelt wurde das Modul über verschiedene digitale Modelle, einen Gestaltungs- und einen Funktionsprototyp. Unterschiedliche visuelle Durchlässigkeit bei verschiedenen Ansichten. Ausschnitt 1:1 Gestaltungsmuster.

9 Pneumatischer Muskel: Öffnung nach Sonnenstand. Pneumatischer Aktuator und Steuerung des Funktionsmusters.

10 [ Solar Swarm Modellierung und Simulation ] Wesentliche physikalische und geometrische Eigenschaften des Entwurfs sind in einem parametrisches CAD-Modell dargestellt. In Kombination mit einer Solarsimulation ist es so einfach möglich, verschiedene Szenarien und räumliche Anordnungen der Module zu überprüfen, ihren Energieertrag zu bemessen und einen visuellen Eindruck zu vermitteln. Studien zur räumlichen Konfiguration, Visualisierung und Solaranalyse innerhalb eines parametrischen Datenmodells. Analyse des eintägigen Strahlungs eintrags. Geschlossene und teilweise geöffnete Variante eines Moduls zu verschiedenen Jahreszeiten.

11 [ 05 Adaptive Solarfassaden Miuso ] Interdisziplinäre studentische Teams aus Produktdesignern und Architekten entwickeln auf gestalterischer und funktionaler Ebene kinetische Module für eine räumliche Fassade. Die Konzepte kombinieren passive Verschattung mit solarer Energiegewinnung. Technologische Basis für die Entwürfe sind organische Photovoltaikzellen. Projektbeispiel Miuso. Aufbau eines Einzelmoduls und architektonische Visualisierung..

12 [ Projektbeispiel Miuso Einzelmodul ] Grundgedanke von Miuso ist, eine spezielle Origamitechnik zum Ändern der Fläche eines Solarmoduls zu verwenden. Technisch umgesetzt wird dies durch einen Mechanismus aus Zugfedern und pneumatischen Druckkissen. So ist eine Anpassung an verschiedene Nutzungsanforderungen möglich. Bewegungsprinzip: Vormodelle. CNC-Zuschnitt Funktionsmodell. Ausschnitt 1:1 Funktionsmuster. Eine Kombination aus Zugfedern und pneumatischen Kissen als Antriebe.

13 Ableitung des Bewegungskonzeptes aus der Origamitechnik Miura. Vorführung des sensorgesteuerten Funktionsmodells während der Projektpräsentation.

14 [ Miuso Konzept und Simulation ] Wesentliche physikalische und geometrische Eigenschaften des Entwurfs sind in einem parametrisches CAD-Modell dargestellt. In Kombination mit einer Solarsimulation ist es so einfach möglich, verschiedene Szenarien und räumliche Anordnungen der Module zu überprüfen, ihren Energieertrag zu bemessen und einen visuellen Eindruck zu vermitteln. Solaranalyse einzelner Öffnungsgrade zu verschiedenen Jahreszeiten. Diagrammatische Darstellung möglicher Funktionen des Moduls.