Leitfaden zur Berechnung von extensiv begrünten Dächern

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1 Leitfaden zur Berechnung von extensiv begrünten Dächern Im Rahmen des Forschungsprojekts Ermittlung von Materialeigenschaften und effektiven Übergangsparametern von Dachbegrünungen zur zuverlässigen Simulation der hygrothermischen Verhältnisse in und unter Gründächern bei beliebigen Nutzungen und unterschiedlichen Standorten [1] (gefördert mit Mitteln der Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesinstitutes für Bau-, Stadt- und Raumforschung; Aktenzeichen: SF / II 3-F ) wurden ein generisches und verschiedene produktspezifische Modelle entwickelt, um Dachbegrünungen insbesondere auf Holzkonstruktionen mit Hilfe von WUFI zuverlässig berechnen und planen zu können. Das generische Gründachmodell wurde auf Basis von Freilanduntersuchungen in Holzkirchen, Leipzig [2], Wien [3] und Kassel [4] entwickelt. Die Klimadaten, die für die Versuchszeiträume zur Verfügung standen, enthalten keine atmosphärischen Gegenstrahlungsdaten, so dass deren Einfluss vereinfacht über die anderen Klimaelemente und entsprechend angepasste Oberflächenübergangskoeffizienten berücksichtigt werden muss. Dieses Modell ist somit vor allem für Standorte in Mitteleuropa bzw. mit vergleichbarem Klima geeignet und kann Anwendung finden, wenn keine gemessenen Gegenstrahlungsdaten oder keine genauen Kenntnisse zum verwendeten Substrat vorliegen. Aufbauend auf dem generischen Modell wurden produktspezifische Ansätze für fünf Begrünungssysteme der Firma Optigrün mit Hilfe zusätzlicher Labor- und Freilandversuchen am Standort Holzkirchen entwickelt. Hierbei wurde der Einfluss der gemessenen atmosphärischen Gegenstrahlung explizit berücksichtigt, so dass die Ansätze prinzipiell auch für die Anwendung in anderen Klimaregionen geeignet sind. Eine Validierung fand bisher an den Standorten Holzkirchen und Mailand [5] statt. Im Folgenden werden die Vorgehensweise sowie die anzusetzenden Materialdaten, Feuchtequellen, Randbedingungen und die Anwendungsgrenzen der entwickelten Gründachmodelle beschrieben. [1] PDF (26,8 MB), Kurzbericht, Katalogseite beim IRB-Verlag [2] Winter, S.; Fülle, C.; Werther, N.: Forschungsprojekt MFPA Leipzig und TU München (Z ). Flachdächer in Holzbauweise [3] Teibinger, M.; Nusser, B.: Ergebnisse experimenteller Untersuchungen an flachgeneigten Hölzernen Dachkonstruktionen. Herausgegeben von Holzforschung Austria, Wien. (Forschungsbericht, HFA-Nr.: P412), [4] Minke, G.; Otto, F.; Gross, R.: Ermittlung des Wärmedämmverhaltens von Gründächern. Abschlussbericht, AZ ZUB Kassel. Juli [5] Fiori, M.; Paolini, R.: Politecnico di Milano, Dipartimento di Architettura, Ingegneria delle costruzioni e Ambiente costruito. The green roof monitoring is funded by the Italian Ministry of Research, project PRIN SENSE Smart Building Envelope for Sustainable Urban Environment.

2 Generisches Gründachmodell Das generische Gründachmodell sollte dann Anwendung finden, wenn keine genauen Daten zum verwendeten Substrat oder keine gemessenen Gegenstrahlungsdaten vorliegen. In diesem Modell wird die langwellige Abstrahlung vereinfacht über die reduzierte kurzwellige Strahlungsabsorptionszahl mit berücksichtigt. Dies ist jedoch nur dann sinnvoll, wenn vergleichbare Strahlungsverhältnisse wie an den untersuchten Standorten auftreten. Andere Strahlungsverhältnisse (vor allem bei deutlich unterschiedlichen Bewölkungsgraden) sollten durch eine genaue Berechnung der langwelligen Strahlungsverluste erfasst werden. Aufbau: - generisches Substrat in erforderlicher Dicke (Materialdatensatz: generisches Substrat.xml, das Material ist ab Datenbank-Version (seit 12/2013) direkt in WUFI verfügbar Quelle: Fraunhofer-IBP, Katalog: Grün- und Kiesdächer) Hinweis: Die Gründachmodelle wurden für extensive Begrünungen mit einer Substratschichtdicke von bis zu 15 cm entwickelt. Feuchtequelle: In den unteren 2 cm des generischen Substrats: - Verteilungsbereich: mehrere Elemente Beispiel: 8 cm dicke Substratschicht Starttiefe in Schicht: 0,06 m / Endtiefe in Schicht: 0,08 m - Quelltyp: Anteil des Schlagregens - Anteil: 40 % - Begrenzung des Quellwerts auf die freie Wassersättigung

3 Empfohlenes Gitter: Automatisch (II) mit 200 Elementen Oberflächenübergangsparameter an der Außenoberfläche: - Wärmeübergangskoeffizient: 19 W/m²K bzw. Wärmeübergangswiderstand: 0,0526 m²k/w (je nach Voreinstellung in WUFI ) - Kurzwellige Strahlungsabsorptionszahl: 0,3 - Langwellige Strahlungsabsorptionszahl: 0 - Explizite Strahlungsbilanz: nicht verwendet Hinweis: Nach dem Starten der Berechnung kommt die Warnung Explizite Strahlungsbilanz ist ausgeschaltet, aber Neigung beträgt (z.b.) 2 zur Berechnung eines Gründachs mit dem generischen Gründachmodell kann diese Warnung ignoriert werden! Außenklimadatensatz: Erforderliche Klimaelemente für die Berechnung mit dem generischen Gründachmodell: - Temperatur - Relative Luftfeuchte - Globalstrahlung (bzw. Diffus- und Direktstrahlung bei geneigten Dächern) - Niederschlag

4 Spezifische Gründachmodelle Da bei den produktspezifischen Ansätzen auch die langwellige Gegenstrahlung und damit alle Klimaelemente explizit berücksichtigt sind, sollte es prinzipiell auch für die Anwendung in anderen Klimaregionen geeignet sein. Voraussetzung hierfür ist das Vorliegen von Gegenstrahlungsdaten. Eine Validierung des Modells war allerdings bisher mit Holzkirchen und Mailand nur in Europa möglich. In Zusammenarbeit mit der Firma Optigrün wurden im Rahmen des Forschungsprojekts für fünf Optigrün-Systeme alle für eine hygrothermische Simulation mit WUFI notwendigen Eingabedaten erarbeitet. Optigrün-Systeme entsprechend den Bezeichnungen des Herstellers: - Leichtdach Lösung 1 - Spardach Lösung 1 - Spardach Lösung 2 - Schrägdach Naturdach Lösung 1 Im Folgenden werden zuerst die Eingabedaten dargestellt, die für alle produktspezifischen Ansätze identisch sind, und anschließend wird jedes System einzeln kurz beschrieben und die Vorgehensweise bei der Berechnung mit WUFI erläutert. Zusätzliche Informationen sind den Infotexten der einzelnen Materialien zu entnehmen.

5 Empfohlenes Gitter: Automatisch (II) mit 200 Elementen Oberflächenübergangsparameter an der Außenoberfläche: - Wärmeübergangskoeffizient: 19 W/m²K bzw. Wärmeübergangswiderstand: 0,0526 m²k/w (je nach Voreinstellung in WUFI ) - Kurzwellige Strahlungsabsorptionszahl: 0,6 - Langwellige Strahlungsabsorptionszahl: 0,9 - Explizite Strahlungsbilanz: verwendet Außenklimadatensatz: Erforderliche Klimaelemente für die Berechnung mit den spezifischen Modellen: - Temperatur - Relative Luftfeuchte - Globalstrahlung (bzw. Diffus- und Direktstrahlung bei geneigten Dächern) - atmosphärische Gegenstrahlung - Niederschlag

6 Optigrün-System Leichtdach Lösung 1: Beschreibung lt. Hersteller: - zweischichtige, extensive Dachbegrünung (von 0-5 Dachneigung) - besonders geringe Schichtdicke (ca. 6 cm) - besonders geringes Flächengewicht (ca. 55 kg/m²) - trockenheitsverträgliche Sedumpflanzen (ca. 6-8 Sorten) - geringster Pflegeaufwand (1-mal jährlich) Systemskizze:

7 Aufbau in WUFI : - 1 cm Sedum-Bepflanzung (Materialdatensatz: Optigrün Leichtdach 1 (Sedum-Bepflanzung) 1-3.xml ) - 5,5 cm Substrat Typ L inkl. FKD (Materialdatensatz: Optigrün Leichtdach 1 (Substrat Typ L inkl. FKD) 2-3.xml ) - 0,4 cm Schutzvlies (Materialdatensatz: Optigrün Leichtdach 1 (Schutzvlies) 3-3.xml ) Die Materialien sind ab Datenbank-Version (seit 12/2013) direkt in WUFI verfügbar Quelle Fraunhofer-IBP, Katalog: Grün- und Kiesdächer Anmerkung: Der Aufbau befindet sich ab WUFI Pro 5.3 (DB 24.77) in der Konstruktionsdatenbank. Zum Einfügen klicken Sie den Button Konstruktionsdatenbank unter dem Bauteilaufbau und wählen Sie dann in der Fraunhofer IBP Quelle im Katalog Dächer den Aufbau Optigrün-System Leichtdach Lösung 1. Nach dem Einfügen ergänzen Sie die Unterkonstruktion im Aufbau. Anschließend müssen noch die Randbedingungen und die Feuchtequelle entsprechend dieser Anleitung eingestellt werden. Feuchtequelle: In den unteren 2 cm der Schicht Substrat Typ L inkl. FKD - Verteilungsbereich: mehrere Elemente Starttiefe in Schicht: 0,035 m / Endtiefe in Schicht: 0,055 m - Quelltyp: Anteil des Schlagregens - Anteil: 40 % - Begrenzung des Quellwerts auf die freie Wassersättigung

8 Optigrün-System Spardach Lösung 1: Beschreibung lt. Hersteller: - zweischichtige, extensive Dachbegrünung (von 0-5 Dachneigung) - geringe Schichtdicke (ca. 8,5 cm) - geringes Flächengewicht (ca. 95 kg/m²) - trockenheitsverträgliche Sedumpflanzen (ca. 6-8 Sorten) - geringer Pflegeaufwand (1-2-mal jährl.) Systemskizze:

9 Aufbau in WUFI : - 1 cm Sedum-Bepflanzung (Materialdatensatz: Optigrün Spardach 1 (Sedum-Bepflanzung) 1-3.xml ) - 8,5 cm Substrat Typ M inkl. FKD (Materialdatensatz: Optigrün Spardach 1 (Substrat Typ M inkl. FKD) 2-3.xml ) - 0,4 cm Schutzvlies (Materialdatensatz: Optigrün Spardach 1 (Schutzvlies) 3-3.xml ) Die Materialien sind ab Datenbank-Version (seit 12/2013) direkt in WUFI verfügbar Quelle Fraunhofer-IBP, Katalog: Grün- und Kiesdächer Anmerkung: Der Aufbau befindet sich ab WUFI Pro 5.3 (DB 24.77) in der Konstruktionsdatenbank. Zum Einfügen klicken Sie den Button Konstruktionsdatenbank unter dem Bauteilaufbau und wählen Sie dann in der Fraunhofer IBP Quelle im Katalog Dächer den Aufbau Optigrün-System Spardach Lösung 1. Nach dem Einfügen ergänzen Sie die Unterkonstruktion im Aufbau. Anschließend müssen noch die Randbedingungen und die Feuchtequelle entsprechend dieser Anleitung eingestellt werden. Feuchtequelle: In den unteren 2 cm der Schicht Substrat Typ M inkl. FKD - Verteilungsbereich: mehrere Elemente Starttiefe in Schicht: 0,065 m / Endtiefe in Schicht: 0,085 m - Quelltyp: Anteil des Schlagregens - Anteil: 40 % - Begrenzung des Quellwerts auf die freie Wassersättigung

10 Optigrün-System Spardach Lösung 2: Beschreibung lt. Hersteller: - einschichtige, extensive Dachbegrünung (von 1-5 Dachneigung) - geringe Schichtdicke (ca. 8 cm) - geringes Flächengewicht (ca. 100 kg/m²) - trockenheitsverträgliche Sedumpflanzen (ca. 6-8 Sorten) - geringer Pflegeaufwand (1-2-mal jährl.) Systemskizze:

11 Aufbau in WUFI : - 1 cm Sedum-Bepflanzung (Materialdatensatz: Optigrün Spardach 2 (Sedum-Bepflanzung) 1-3.xml ) - 8 cm Substrat Typ M (Materialdatensatz: Optigrün Spardach 2 (Substrat Typ M) 2-3.xml ) - 0,4 cm Schutzvlies (Materialdatensatz: Optigrün Spardach 2 (Schutzvlies) 3-3.xml ) Die Materialien sind ab Datenbank-Version (seit 12/2013) direkt in WUFI verfügbar Quelle Fraunhofer-IBP, Katalog: Grün- und Kiesdächer Anmerkung: Der Aufbau befindet sich ab WUFI Pro 5.3 (DB 24.77) in der Konstruktionsdatenbank. Zum Einfügen klicken Sie den Button Konstruktionsdatenbank unter dem Bauteilaufbau und wählen Sie dann in der Fraunhofer IBP Quelle im Katalog Dächer den Aufbau Optigrün-System Spardach Lösung 2. Nach dem Einfügen ergänzen Sie die Unterkonstruktion im Aufbau. Anschließend müssen noch die Randbedingungen und die Feuchtequelle entsprechend dieser Anleitung eingestellt werden. Feuchtequelle: In den unteren 2 cm der Schicht Substrat Typ M - Verteilungsbereich: mehrere Elemente Starttiefe in Schicht: 0,06 m / Endtiefe in Schicht: 0,08 m - Quelltyp: Anteil des Schlagregens - Anteil: 40 % - Begrenzung des Quellwerts auf die freie Wassersättigung

12 Optigrün-System Schrägdach 5-45 : Beschreibung lt. Hersteller: - zweischichtige, extensive Schrägdachbegrünung (von 5-45 Dachneigung) - geringe Schichtdicke (ca. 9 cm) - geringes Flächengewicht (ca. 110 kg/m²) - trockenheitsverträgliche Sedumpflanzen (ca. 6-8 Sorten) - geringster Pflegeaufwand (1-mal jährl.) Systemskizze:

13 Aufbau in WUFI : - 1 cm Sedum-Bepflanzung (Materialdatensatz: Optigrün Schrägdach 5-45 (Sedum-Bepflanzung) 1-3.xml ) - 8 cm Substrat Typ E (Materialdatensatz: Optigrün Schrägdach 5-45 (Substrat Typ E) 2-3.xml ) - 0,4 cm Schutzvlies (Materialdatensatz: Optigrün Schrägdach 5-45 (Schutzvlies) 3-3.xml ) Die Materialien sind ab Datenbank-Version (seit 12/2013) direkt in WUFI verfügbar Quelle Fraunhofer-IBP, Katalog: Grün- und Kiesdächer Anmerkung: Der Aufbau befindet sich ab WUFI Pro 5.3 (DB 24.77) in der Konstruktionsdatenbank. Zum Einfügen klicken Sie den Button Konstruktionsdatenbank unter dem Bauteilaufbau und wählen Sie dann in der Fraunhofer IBP Quelle im Katalog Dächer den Aufbau Optigrün-System Schrägdach Nach dem Einfügen ergänzen Sie die Unterkonstruktion im Aufbau. Anschließend müssen noch die Randbedingungen und die Feuchtequelle entsprechend dieser Anleitung eingestellt werden. Feuchtequelle: In den unteren 2 cm der Schicht Substrat Typ E - Verteilungsbereich: mehrere Elemente Starttiefe in Schicht: 0,06 m / Endtiefe in Schicht: 0,08 m - Quelltyp: Anteil des Schlagregens - Anteil: 40 % - Begrenzung des Quellwerts auf die freie Wassersättigung

14 Optigrün-System Naturdach Lösung 1: Beschreibung lt. Hersteller: - dreischichtige, extensive Dachbegrünung (von 0-5 Dachneigung) - mittlere Schichtdicke (ca. 10 cm) - mittleres Flächengewicht (ca. 120 kg/m²) - trockenheitsverträgliche Sedumpflanzen, Gräser, Kräutern (ca. 25 Sorten) - mittlerer Pflegeaufwand (2-3-mal jährl.) Systemskizze:

15 Aufbau in WUFI : - 1 cm Gras-Bepflanzung (Materialdatensatz: Optigrün Naturdach 1 (Gras-Bepflanzung) 1-5.xml ) - 10 cm Substrat Typ E (Materialdatensatz: Optigrün Naturdach 1 (Substrat Typ E) 2-5.xml ) - 0,1 cm Filtermatte (Materialdatensatz: Optigrün Naturdach 1 (Filtermatte) 3-5.xml ) - 4 cm Festkörperdrainage (Materialdatensatz: Optigrün Naturdach 1 (Festkörperdränage) 4-5.xml ) - 0,4 cm Schutzvlies (Materialdatensatz: Optigrün Naturdach 1 (Schutzvlies) 5-5.xml ) Die Materialien sind ab Datenbank-Version (seit 12/2013) direkt in WUFI verfügbar Quelle Fraunhofer-IBP, Katalog: Grün- und Kiesdächer Anmerkung: Der Aufbau befindet sich ab WUFI Pro 5.3 (DB 24.77) in der Konstruktionsdatenbank. Zum Einfügen klicken Sie den Button Konstruktionsdatenbank unter dem Bauteilaufbau und wählen Sie dann in der Fraunhofer IBP Quelle im Katalog Dächer den Aufbau Optigrün-System Naturdach Lösung 1. Nach dem Einfügen ergänzen Sie die Unterkonstruktion im Aufbau. Anschließend müssen noch die Randbedingungen und die Feuchtequellen entsprechend dieser Anleitung eingestellt werden.

16 Feuchtequellen: In den unteren 2 cm der Schicht Substrat Typ E - Verteilungsbereich: mehrere Elemente Starttiefe in Schicht: 0,08 m / Endtiefe in Schicht: 0,1 m - Quelltyp: Anteil des Schlagregens - Anteil: 40 % - Begrenzung des Quellwerts auf die freie Wassersättigung In der gesamten Schicht Festkörperdränage - Verteilungsbereich: ganze Schicht - Quelltyp: Anteil des Schlagregens - Anteil: 40 % - Begrenzung des Quellwerts auf das maximale Füllvolumen der Festkörperdränage ((8,7 kg/m²) / (0,04 m) = 217,5 kg/m³)

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