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Lieber cool bleiben als heiß durch die Decke
Hitze unterm Dach? Nicht mit puren Dämmsystemen! Fakten statt Bauchgefühl.
Alle Jahre wieder, wenn die Tage länger werden, beherrscht das Thema des sommerlichen Hitzeschutzes die Diskussionen. Hier eine sachliche Zusammenstellung der zahlreichen unterschiedlichen Einflussfaktoren und Einflussmöglichkeiten auf die sommerliche Überwärmung.
Der Schutz vor sommerlicher Überwärmung von Innenräumen ist eine wichtige planerische Aufgabe - angesichts der auch in Deutschland spürbaren globalen Erwärmung mit beständig steigendem Stellenwert. Denn die sommerliche Überwärmung ist nicht nur ein Komfortproblem, sondern schränkt unter Umständen die Nutzbarkeit ein. Dies ist insbesondere bei geschäftlich genutzten Räumen der Fall, wenn die nach der Arbeitsstättenverordnung zumutbaren Temperaturgrenzen dauerhaft überschritten werden. Paradox ist, dass gerade energetisch ambitionierte Gebäudekonzepte mit großen südorientierte Glasflächen in der Heizperiode zwar hohe Energiegewinne ermöglichen, im Sommer hingegen Probleme verursachen. Dabei wird auch der Energieverbrauch von Klimaanlagen mehr und mehr zum Problem.
Die Ziele des sommerlichen Wärmeschutzes bemessen sich nach den sogenannten Übertemperaturgradstunden, d.h. nach der Zeitdauer und Intensität, mit der ein bestimmter Grenzwert überschritten wird. Der Schwellenwert ist nach DIN 4108-2, Tab. 9 für verschiedene Klimaregionen in Deutschland unterschiedlich festgelegt und berücksichtigt die Gewöhnung der Nutzer an unterschiedlich warme Regionen: Für Regionen in den Bergen und an der See gelten 25 °C, über weite Flächen 26 °C und etwa entlang des Rheins 27 °C. Da wir im Sommer üblicherweise leicht bekleidet sind, liegen als angenehm empfundene Raumtemperaturen höher als im Winter.
Wärmeeinträge durch Fenster:
Der Überwärmung von Innenräumen liegt immer eine entsprechende Aufheizung, also ein hoher Wärmeeintrag zugrunde. Die weitaus größten Energiemengen werden durch transparente Bauteile wie Glasfassaden, Fenster oder Dachflächenfester eingebracht. An einem wolkenlosen Sommertag beträgt die Strahlungsenergie der Sonne in Deutschland bis zu 1000 W/m². Weniger als die Hälfte der auftreffenden Strahlung wird durch die Verglasung reflektiert; der überwiegende Anteil gelangt in den Innenraum und heizt diesen auf. Je nach Gesamtenergiedurchlassgrad und Dachneigung kann der Wärmeeintrag durch ein nach Süden ausgerichtetes Dachflächenfenster ohne weiteres bei 350 bis 600 W/m² liegen.
Sind sonnenexponierte Glasflächen unvermeidlich, führt an einer effektiven Verschattung kein Weg vorbei. Dabei ist außenliegenden Sonnenschutzeinrichtungen der Vorzug zu geben: Außenliegende Rollläden oder drehbare hinterlüftete Lamellen führen zu einer Verminderung des Sonneneintrags um 70 bis 75%. Innenliegende Sonnenschutzeinrichtungen werden hingegen nach DIN 4108-2 lediglich mit Abminderungsfaktoren zwischen 10 und 25 % angerechnet. Selbst perfekt verschattete Fenster lassen allerdings aufgrund ihres relativ schlechten Dämmwertes einen höheren Wärmestrom zu als geschlossene Bauteile.
Wärmeeinträge durch gedämmte Dachfläche:
Bei geschlossenen Bauteilen wird die auftreffende Sonnenenergie zum überwiegenden Teil durch die Bauteiloberfläche (z.B. die Dacheindeckung) reflektiert. Absorbierte Energie wird in langwellige Wärmestrahlung umgewandelt. Bei intensiver Sonneneinstrahlung werden Oberflächentemperaturen der Dachfläche von bis zu 70 °C erreicht. Wie viel davon in den Innenraum transportiert wird, hängt wesentlich vom Wärmedurchlasswiderstand oder U-Wert, d. h. von einer effizienten Wärmedämmung des Bauteils ab.
Hierbei unterscheiden sich die sommerlichen Wärmeaustauschvorgänge – abgesehen von der Richtung des Wärmetransportes – nicht vom winterlichen Wärmeschutz: Ein guter, also niedriger U-Wert, bleibt auch im Sommer entscheidend. Die sommerlichen Wärmeeinträge durch geschlossene Bauteile lassen sich in Abhängigkeit des U-Wertes recht gut abschätzen. (Bei einem U-Wert von 0,24 W/(m²K) und einer Innentemperatur von 25 °C (Temperaturdifferenz 45 K zu 70 °C Außentemperatur) beträgt der Wärmeeintrag durch die geschlossene Dachfläche ca. 10,8 W/m²; bei einem U-Wert von 0,14 W/(m²K) sind es nur 6,3 W/m². Da die geschlossenen Außenbauteile zumeist einen wesentlich größeren Flächenanteil als die Fenster aufweisen, kommt einer Reduzierung des Wärmedurchgangs durch Verbesserung des U-Wertes eine erhebliche Bedeutung zu.
Wärmeeinträge durch falsches Lüften:
Extrem groß ist der Wärmeeintrag durch ungeeignetes Lüftungsverhalten mit Dachfenstern in Kippstellung. Durch Kipplüftung an einem sonnigen Tag wird die 70 °C heiße Luft, die über der Dachfläche zum First strömt, in die Räume umgeleitet. Grundsätzlich: richtiges Lüften findet in der Nacht statt (Nachtauskühlung).
Wärmespeicherfähigkeit der Konstruktion:
Eine effektive Möglichkeit, Einfluss auf die sommerlichen Raumtemperaturen zu nehmen, besteht in der Nutzung von Dämpfungs- und Speichereffekten durch speicherfähige Massen. Bauteile mit hoher Rohdichte wie Beton, Estrich oder schweres Mauerwerk sind in der Lage, große Wärmemengen zu speichern. Richtig eingesetzt, nehmen sie tagsüber Wärme auf, die sie der Raumluft entziehen. Die gespeicherte Wärme wird wieder abgegeben, sobald die Lufttemperaturen unterhalb der Bauteiltemperatur liegen – also zeitversetzt in den kühleren Abend- und Nachtstunden. Die so erzielte Verzögerung der Temperaturspitze durch das Bauteil bezeichnet man als Phasenverschiebung. Ein sinnvoller Wert der Phasenverschiebung beträgt zwischen vier und acht Stunden, gleichbedeutend mit einer Verzögerung der Temperaturspitze vom Tagesmaximum der Außenluft (ca. 14:00 Uhr) bis in die Abendstunden (18:00 bis 22:00 Uhr).
Die Lage zählt:
Eine sinnvolle thermische Aktivierung findet nur bei Speichermassen statt, die innerhalb der wärmegedämmten Gebäudehülle liegen. Außenliegende Bauteilmassen sind dagegen ungeschützt der Erwärmung ausgesetzt und können noch lange nach Abklingen der Sonneneinstrahlung Wärme in die Konstruktion eintragen. Damit wirken sie dem sommerlichen Wärmeschutz entgegen. Idealerweise werden Speichermassen nach außen durch eine Wärmedämmung wirksam vor direkter Erwärmung geschützt. Es empfiehlt sich, den Bauteilmassen durch geöffnete Fenster in der Nacht (Nachtauskühlung) möglichst viel Wärme zu entziehen – umso größer wird der „Puffer“ für den nächsten Tag.
Im Vergleich zu massiven Bauteilen (ca. 1800 bis 2400 kg/m³) reagieren Elemente in Leichtbauweise (z.B. gedämmte Dachkonstruktionen mit Holzdachstuhl – deutlich unter 100 kg/m²) direkter auf Hitzeeinwirkung. Ihre wirksamen Speichermassen sind vernachlässigbar gering. Ihr Beitrag zum sommerlichen Überwärmungs-Schutz liegt vor allem in einem verminderten Wärmeeintrag durch eine ausreichend dimensionierte, außenliegende Wärmedämmung und eine funktionierende Konvektionssperre. Eine schwere Ausführung der Innenbeplankung mit wärmespeicherfähigen Materialien (z.B. 2-lagige Beplankenden aus Gipsfaserplatten, ca. 1150 kg/m³) kann zusätzlich zur Wärmespeicherung und damit zu einem ausgeglichenen sommerlichen Raumklima beitragen. Der Einfluss unterschiedlicher Wärmedämmstoffe auf die Phasenverschiebung ist hingegen schon aufgrund ihrer relativ geringen Masse (nur rund 1/20 vom Mauerwerk) unerheblich - zumal die Masse eines Dämmstoffs immer zur Hälfte im warmen bzw. kalten Bereich liegt.
Bewertungsverfahren für den sommerlichen Überwärmungsschutz:
Die Energieeinsparverordnung (EnEV) begrenzt nicht nur den Primärenergiebedarf zur Beheizung des Gebäudes, sondern fordert auch den Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes. In DIN 4108-2 ist ein Handrechenverfahren zur Ermittlung der Sonneneintragskennwerte und der Übertemperaturgradstunden vorgegeben, mit dem gleichzeitig der offizielle Nachweis erbracht werden kann. Die Bewertung erfolgt jeweils für einen Raum und berücksichtigt dessen Abmessungen, die Ausrichtung und Größe der Fenster, die Art der Verglasung und des Sonnenschutzes, die Bauweise (Leichtbauweise oder Massivbau) und die Wärmespeicherkapazität der verwendeten Baustoffe, interne Wärmequellen (z. B. Personenwärme, Abwärme von Computern oder Beleuchtung) sowie das Lüftungsverhalten (Nachtlüftung). Üblicherweise wird im Nachweisverfahren der kritischste Raum, zumeist ein Dachraum mit Ausrichtung der Fensterflächen nach Süd-Ost oder Süd-West betrachtet. Genauere Berechnungen des sommerlichen Wärmeverhaltens mit Hilfe computergestützter, numerischer Simulationsverfahren sind bereits in handelsüblichen Softwarepaketen erhältlich. Eine bauteilbezogene Bewertung der Phasenverschiebung ist hingegen wissenschaftlich nicht belegt und führt zwangsläufig zu fragwürdigen Resultaten. Für den geforderten Nachweis sind derartige Berechnungen unerheblich.
Sommerlicher Überwärmungsschutz - Faktencheck
Zielsetzung des sommerlichen Wärmeschutzes ist die Vermeidung von Temperaturspitzen oberhalb der Behaglichkeitsgrenze im Innenraum. Die erste und wichtigste Voraussetzung hierfür ist die Vermeidung übermäßiger Wärmeeinträge infolge direkter Strahlung durch unverschattete Fenster.
Geschlossene (opake) Bauteilflächen nehmen den mit Abstand größten Anteil der Dachfläche ein. Hier sorgt eine Wärmedämmung mit hohem Wärmedurchlasswiderstand (gleichbedeutend mit niedrigem U-Wert) für einen reduzierten Wärmedurchgang. Ein niedriger U-Wert trägt entscheidend zu einem ausgeglichenen Raumklima im Sommer bei. Bei gleicher Dämmschichtdicke sind Hochleistungsdämmstoffe mit Lambda-Werten um 0,02 W/mK wirksamer als konventionelle Dämmstoffe.
Die Phasenverschiebung kann den Temperaturausgleich durch Speicherung der kühlen Temperaturen aus den Nachtstunden in den Tag hinein unterstützen, die Begrenzung der Wärmeeinträge aber in keinem Fall ersetzen. Im Wesentlichen wird sie durch massive Bauteile im Gebäudeinneren in Verbindung mit einem angepassten Nutzerverhalten (Nachtlüftung) erreicht. Die Art des Dämmstoffs spielt für die Phasenverschiebung keine entscheidende Rolle.
Eine wichtige Voraussetzung für den Schutz vor sommerlicher Überwärmung ist ein sinnvolles Lüftungsverhalten, mit intensiver Lüftung während der Abend- und Nachtstunden und geschlossenen, verschatteten Fenstern am Tag.