Sonnenschutz in der Fassade wohin mit Sonne und Licht?

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1 Seite 1 von 12 Dipl.-Phys. Michael Rossa, stellv. Leiter ift Akademie Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Benitz-Wildenburg, Leiter PR & Kommunikation ift Rosenheim Sonnenschutz in der Fassade wohin mit Sonne und Licht? Energieeffizientes, behagliches Wohnen und Arbeiten mit innovativem Sonnenschutz Die Fassade ist ein wichtiger Bestandteil energieeffizienter Gebäude. Die Zusammenhänge von Wärme- und Sonnenschutz sowie Tageslichtnutzung sind komplex. Glas, Fenster, Fassade und Sonnenschutz dürfen daher nicht als isolierte Bauteile in ihrer Funktion betrachtet werden, sondern es sind die Auswirkungen auf die Beleuchtung mit Kunstlicht, die Klimatisierung, die Heizungs- und Lüftungstechnik zu beachten. An Glas, Fenster und Fassaden müssen deshalb folgenden Anforderungen gestellt werden: Wärme- und Sonnenschutz für behagliche Innentemperaturen mit geringem Energieverbrauch, Ausreichende Beleuchtung des Raumes mit natürlichem Tageslicht und Blendfreiheit im Innenraum, insbesondere von Arbeitsplätzen (visueller Komfort), Sichtverbindung nach außen sowie Sichtschutz bei Nacht. Hierbei sind die vom Planer gestellten Anforderungen teilweise entgegengesetzt. So reduziert bei konventioneller Sonnenschutzplanung die ausreichende Versorgung mit Tageslicht. Auch eine Blendung durch die direkte Sonneneinstrahlung und durch Reflexion ist zu vermeiden, um gute Lichtverhältnisse an Bildschirmarbeitsplätzen zu schaffen. Im Wohnungsbau kann ein Energy Label eine einfache Orientierung für die Auswahl geeigneter Fenstersysteme inkl. Sonnenschutzeinrichtungen bieten. Mit einer verbraucherfreundlichen energetischen Kennzeichnung sollen alle energetischen Einflüsse des Fensters übersichtlich dargestellt werden. Energiegewinne, Energieverluste und auch die Tageslichtnutzung müssen ausgewogen berücksichtigt werden. Auf Basis der ISO Energetische Bewertung von Fenstersystemen Berechnungsverfahren (Energy Performance) wurde ein Bewertungsverfahren entwickelt, das durch die beiden Kennzahlen EP-H (Energy Performance Heating Period) und EP-C (Energy Performance Cooling Period) die Energieverbräuche ausgedrückt. Für die praktische Anwendung wurde vom ift Rosenheim ein Online-Tool entwickelt, mit dem eine einfache Berechnung möglich ist ( Bild 1 Energy Label für Fenster

2 Seite 2 von 12 Bild 2 Unterschiedliche Wunschforderungen an Glas, Fenster und Fassade Fassaden müssen auch auf die tages- und jahreszeitlichen Schwankungen des solaren Strahlungsangebotes und der Außentemperatur sowie den Nutzereinfluss reagieren, um ein behagliches Innenraumklima zu gewährleisten. Statische Systeme wie Sonnenschutzgläser oder ein fixierter Sonnenschutz sind ein Kompromiss. Variable Sonnenschutzsysteme können vom Nutzer bedient werden. Bei Haushalten mit berufstätigen Bewohnern und Verwaltungsgebäuden trifft dies aber nur bedingt zu. Deshalb sind automatische Steuerungssysteme eine notwendige Entwicklung, um eine energieeffizientere Realisierung des thermischen Wohnkomforts zu erreichen. Das Nutzerverhalten spielt bezüglich Komfort und Energieeffizienz eine wichtige Rolle. Allerdings muss der Nutzer die Steuerung überstimmen können, weil ansonsten automatische Systeme keine Akzeptanz finden. Bild 3 Vermeidung einer direkten und indirekten Blendung durch geeigneten Blendschutz

3 Seite 3 von 12 Sonnenschutzsysteme Heute stehen eine Vielzahl feststehender und beweglicher Sonnenschutzsysteme sowie Sonnenschutzgläser zur Verfügung. Die Vielfalt reicht von beschichteten, bedruckten und elektrochromen Verglasungen, neuen Materialien und Oberflächenbeschichtungen bis zu Photovoltaikelementen die neben der Verschattung auch noch Energie produzieren. Neben der eigentlichen Sonnenschutzfunktion muss auch die Gebrauchstauglichkeit beachtet werden. So können außenliegende Verschattungen heute deutlich höhere Windgeschwindigkeiten (bis zur Windstärke 9-10) aushalten. Auch die Sonnenschutzgläser haben sich weiter verbessert und bieten mit hochselektiven, neutralen Beschichtungen hohe Lichttransmissionen bei gleichzeitig niedrigem g-wert. Die Beurteilung des Sonnenschutzes muss deshalb energetische, lichttechnische und mechanische Eigenschaften sowie die Gebrauchstauglichkeit und Standsicherheit berücksichtigen. Die Anforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz werden in Deutschland gemäß EnEV 3 und 4 definiert. Der Nachweis kann für Gebäude über das vereinfachte Verfahren der DIN erfolgen (Hilfestellung bietet das Merkblatt ES 04 vom VFF/ift Rosenheim). Nichtwohnungsbauten sind komplexer, so dass der Planer für die Bewertung von Sonnenschutzmaßnahmen genauere Kennwerte benötigt. Einer der wichtigsten Größen ist der Gesamtenergiedurchlaßgrad g total, der jedoch von der Verglasung in Kombination mit dem Sonnenschutz abhängt. Mit den Kennwerten für Transmission, Reflexion und Absorption ist eine Berechnung der Sonnenschutzmaßnahme möglich. Hier bietet die DIN EN einfache Verfahren zur Bestimmung von g total. Die Herstellerddaten für die Verglasung und den Sonnenschutz können in der Regel verwendet werden. Folgenden Eingangskenngrößen sind hierfür notwendig: g: Gesamtenergiedurchlaßgrad der Verglasung nach EN 410 U g : Wärmedurchgangskoeffizient der Verglasung nach EN 410 B : Transmissionsgrad des Sonnenschutzes im solaren Bereich B : Reflexionsgrad (innen/außen) des Sonnenschutzes im solaren Bereich Im Vergleich zum genaueren Verfahren der EN ergeben sich zwar leicht höhere Werte (s. Tabelle 1), die aber für die Ermittlung der Kühllast eines Gebäudes auf der sicheren Seite liegen.

4 Seite 4 von 12 Tabelle 1 Ermittlung Beispiele von für g total im Vergleich (EN 4108, EN Teil 1+2) Bewegliche äußere Abschlüsse wie Außenjalousien, Raffstores, Rollläden, Drehläden, ungeführte oder geführte Faltläden sowie Schiebeläden sind Klassiker und ermöglichen einen wirksamen Sonnenschutz. Allerdings gibt es keinen festen g-wert, denn dieser ist abhängig von der Winkelstellung und dem Sonneneinfallswinkel. Eine Simulation aller möglichen Winkelstellungen ist jedoch zu aufwändig und in der Praxis nicht üblich. Bild 4 Abhängigkeit g-wert und Fc-Wert von Verglasung und Einfallswinkel der Sonnenstrahlung Die Nutzung eines einzigen idealisierten g-wertes ist für eine genaue Gebäudeplanung aber auch nicht ausreichend. Um dennoch brauchbare Kennwerte für eine Planung zu erhalten, sollte der g-wert für typische Anwendungsfälle gemessen oder berechnet werden (30, 60, 80 ). Eine Verschattung ist auch mit PV-Modulen möglich, bei denen Sonnenschutz und Tageslichtversorgung kombiniert werden können. Möglich wird der unterschiedliche Lichttrans-

5 Seite 5 von 12 missionsgrad durch eine unterschiedliche Belegung der mono- oder polykristallinen PV- Zellen. Hier eignen sich PV-Module in Dünnschichttechnologie, weil diese im Format flexibler herstellbar sind und sich die Lichttransmission, die Gestaltung, die Farbgebung und Transparenz mittels Lasertechnik einfach variieren lässt. Gerade bei Dachverglasungen lassen sich Sonnenschutz, Energiegewinnung und Gebrauchstauglichkeit so ideal kombinieren. Bild 5 PV-Module eignen sich gut als statischer Sonnenschutz für Atrien und Dachverglasungen (Bildquelle Ertex-Solar)

6 Seite 6 von 12 Nachweis gemäß DIN :2013 Der sommerliche Wärmeschutz hat durch häufiger auftretende Wärme- und Hitzeperioden und ein Zunahme der Gebäudeklimatisierung an Bedeutung zugenommen. Sowohl für Wohn- und Nichtwohngebäude ist der sommerliche Wärmeschutz nach der überarbeiteten DIN Abschnitt 8 nachzuweisen. Dies ist wie bisher durch ein vereinfachtes, jedoch verschärftes Verfahren über zulässige Sonneneintragskennwerte möglich. Als zweites Verfahren ist der genauere Nachweis durch Simulationsrechnungen mit Übertemperaturgradstunden möglich. Die überarbeitete DIN 4108 sieht folgende Änderungen vor, die für Fenster, Fassaden und Glas relevant sind: Auf eine Berechnung nach Abschnitt kann verzichtet werden, wenn bei Wohngebäuden der grundflächenbezogene Fensterflächenanteil < 35% ist und die Fenster einen außenliegenden Sonnenschutz mit einem Abminderungsfaktor F c <0,30 (oder F c <0,35 bei g< 0,4) haben. Wie bisher ist kein Nachweis erforderlich, wenn der senkrechte, raumbezogene Fensterflächenanteil zwischen 10% und 15% liegt (je nach Fensterorientierung). Raumbereiche mit unbeheizten Glasvorbauten werden gesondert geregelt. Beim Verfahren mit Sonneneintragskennwerten wurden die Sommer-Klimaregionen aufgrund neuer Testreferenzjahre (Klimawandel) verändert, die Deutschlandkarte mit den Regionen A,B,C wurde modifiziert (Die Region C ist in Ostdeutschland fast verschwunden, wurde aber längs des Rheintal und des Neckars ausgedehnt. Die Fläche der Region A in Küstennähe und im Bereich der Mittelgebirge ist kleiner geworden.) Beim vereinfachten Verfahren über zulässige Sonneneintragskennwerte S zul wurden folgende Änderungen vorgenommen: Die Klimaregion, Bauart und Nachtlüftung wird in einem S 1 -Wert zusammen gefasst. Er gilt für einen grundflächenbezogenen Fensterflächenanteil f WG von etwa 26 %. Ein neuer Faktor S 2 wurde zur Berechnung für abweichende Fensteranteile als Korrektur zu S 1 aufgenommen. Eine hohe Nachtlüftung mit n>5/h ist neu, erhöhte Nachtlüftung gilt nun erst ab einer Luftwechselrate n>2/h. Die solare Einstrahlung durch geneigte Fenster (Dachflächenfenster) werden ähnlich wie vorher eingerechnet, allerdings wurde der Term f neig neu definiert. Er bezieht jetzt die geneigte Fensterfläche nicht mehr auf die Grundfläche des Raums, sondern auf die Gesamtfensterfläche. Die Tabelle mit Anhaltswerten für die Abminderungsfaktoren F c wurde überarbeitet und um Werte für 3-fach-Glas und Sonnenschutzglas erweitert und für 2-fach-Glas tendenziell leicht reduziert. Der Rollladen-Schließgrad und die Lamellenwinkeleinstellung wurden bei den F c -Werten berücksichtigt. Als Konsequenz führt das vereinfachte Verfahren mit S zul für viele Gebäude (vor allem bei leichter Bauart und ohne Nachtlüftung) zu einem niedrigen, teilweise sogar negativen S zul.. Ein negativer Wert von S zul bedeutet in diesem Fall, dass man außerhalb des Anwendungsbereiches des vereinfachten Verfahren ist. In diesen Fällen kann der Nachweis über

7 Seite 7 von 12 eine Gebäudesimulation geführt werden. Der Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes ist weiterhin für den ungünstigsten Raum des Gebäudes zu führen, meistens ein Eckraum mit Süd- bzw. Ost/West-orientierten Fensterflächen. Hierfür muss der vorhandene Sonneneintragskennwert S vorh kleiner als der zulässige Sonneneintragskennwert S zul sein (Formel 1). Svorh S zul (1) Der vorhandene Sonneneintragskennwert S vorh (Formel 2a) ermittelt sich wie bisher aus dem g-wert der Verglasung, dem Abminderungsfaktor für die Sonnenschutzeinrichtung Fc sowie dem Verhältnis der Fensterflächen zur Netto-Grundflächen des betrachteten Raumes. Die Fensterfläche wird hierbei mit den lichten Rohbaumaßen ermittelt. S vorh j A W, j A g g tot, j (2a) S zul S x (2b) Bei gleicher Raumgeometrie, Gebäudeausstattung und Sonnenschutz-Maßnahmen führt die neue DIN zu kleineren zulässigen Fensterflächen, so dass für die meisten Gebäude Sonnenschutz-Maßnahmen zur Grundausstattung gehören werden. Hierbei kann auch der Einsatz von neutralem Sonnenschutzglas im privaten Wohnungsbau interessant sein, wenn eine großflächig nach Süden orientierte Glasfassade vom Bauherrn gewünscht wird. Maßnahmen zur Abschattung bei intensiver Solareinstrahlung sollten auch zum Blendschutz zusätzlich vorhanden sein. Alternativ kann der sommerliche Wärmeschutz auch mit einer thermischer Gebäudesimulation nachgewiesen werden, Dies dürfte bei großen Glasflächen nun häufiger zur Anwendung kommen. Die Randbedingungen für die Simulation werden in DIN in Abs. 8.4 festgelegt. Anders als früher werden die Grenzwerte für die Innentemperaturen durch die Angabe zulässiger Übertemperaturgradstunden ersetzt. Der Anforderungswert der Übertemperaturgradstunden beträgt für Wohngebäude <1200 Kh/a und für Nichtwohngebäude <500 Kh/a für den untersuchten ungünstigsten Raum.

8 Seite 8 von 12 Rechenbeispiel Die Beispielrechnung für einen Nichtwohnungsbau zeigt, dass trotz eines Sonnenschutzglases mit einem g-wert von 31 % und einem zusätzlichen, außenliegenden Sonnenschutz die Anforderungen der DIN :2013 für das Gebäude in Bild 1 nur ganz knapp erfüllt werden. Im Nichtwohnungsbau wird daher eine thermische Gebäudesimulation das übliche Verfahren sein. Bild 6 Geometrie des Gebäudes mit einem kritischen Raum für die Rechnung in Tabelle 1 (Bildquelle Prof. Elmar Junker, Hochschule Rosenheim) Tabelle 2 Beispielrechnung für ein Nichtwohngebäude nach dem vereinfachten Verfahren der DIN (Vergleich Fassung 2003/2012)

9 Seite 9 von 12 Infokasten Weitere Informationen und Checklisten finden sich unter im Themendienst Sonnenschutz. Der sichere Umgang mit der EnEV und die effiziente Nutzung der Nachweisverfahren können in Seminaren und Workshops der ift Akademie erlernt werden.

10 Seite 10 von 12 Zusatzinfos für Website: Infokasten Sonnenschutz, Blendschutz und Tageslichtlenkung 1 Fenster und Fassaden brauchen einen wirksamen Sonnenschutz. Hierbei ist ein außenliegender Sonnenschutz oder ein im Isolierglas integrierter Sonnenschutz am wirksamsten. Fenster und Fassaden sollten nicht mehr ohne Sonnenschutz geplant werden. 2 Auskunft über die Wirkung des Sonnenschutzes gibt der Abminderungsfaktor F c. Je niedriger der F c -Wert, desto besser ist der Sonnenschutz in seiner Wirkung. Zu beachten ist, dass der F c -Wert immer nur für eine bestimmte Kombination von Isolierglas und Sonnenschutz gilt. 3 Wird der Sonnenschutz innenliegend ggf. auch als Blendschutz geplant, ist auf einen nach außen reflektierenden Sonnenschutz zu achten, da die absorbierte Solarstrahlung aufgrund des hohen Wärmedurchlasswiderstandes des Isolierglases im Raum bleibt. Generell gilt: Reflektieren ist besser als Absorbieren. 4 Bei der Planung von Sonnen- und Blendschutzmaßnahmen auf eine ausreichende Sichtverbindung von innen nach außen achten. 5 Für einen Rollladen (F c = 0,3) sind die Anforderungen an einen ausreichenden sommerlichen Wärmeschutz erfüllt. Diese Form des Sonnenschutzes ist nur für Räume geeignet, die tagsüber nicht genutzt werden, da der Rollladen lichtundurchlässig ist. 6 Eine automatische Steuerung des Sonnenschutzes bei Abwesenheit des Nutzers sorgt für verbesserten thermischen Komfort. 7 Ideal und ein Beitrag zu einer verbesserten Energieeffizienz von Gebäuden sind Systeme zur Tageslichtlenkung, die auch die Aufgabe des Sonnen- und Blendschutzes mit übernehmen. Tageslichtsysteme erzeugen kein zusätzliches Licht, sorgen aber für eine verbesserte Lichtverteilung am Fenster und in der Raumtiefe und damit für einen deutlich verbesserten visuellen Komfort.

11 Seite 11 von 12 Checkliste: Bewertungskriterien für Sonnenschutzsysteme

12 Seite 12 von 12 Checkliste Kenndaten und Nachweise für BIPV Elektrische Kenndaten von PV-Modulen Elektrische Kenngrößen P max, I sc, U oc, U mpp, bei Standardtestbedingungen, NOCT-Wert, Temperaturkoeffizienten nach DIN EN Elektrische Isolationsprüfung, Prüfung des Isolationswiderstands unter Benässung Bauphysikalische/-technische Nachweise Bestimmung der strahlungsphysikalischen Daten (teiltransparent) nach EN 410 und Lichttransmission/-reflexion an streuenden Proben nach DIN 5036 Kalorimetrische Bestimmung des Gesamtenergiedurchlassgrads und der Oberflächentemperaturen unter Solareinstrahlung Bestimmung des U-Wertes von PV-Modulen Bestimmung der Luftschalldämmung und der Schall-Längsleitung an PV-Modulen und PV- Modulen im Isolierglas Nachweis Brandverhalten, Feuerwiderstand und Widerstand bei Brand von außen Temperaturwechselprüfungen, Feuchte-Frost-Prüfungen, Feuchte-Wärme-Prüfung Mechanische Belastungstests (Schneelast, statische Lasten, Eislast, Hagel- und Windlast etc.) Glasprüfung Prüfung Bruchbild und mechanische Festigkeit für Einscheiben-Sicherheitsglas (ESG), teilvorgespanntes Glas (TVG) für photovoltaische Anwendungen Prüfung der mechanischen Festigkeit an Floatglas nach EN 1288, Doppelringversuch Pendelschlagversuch nach EN und nach den Technischen Regeln für die Verwendung von absturzsichernden Verglasungen (TRAV) an monolithischen PV-Modulen Resttragfähigkeit an PV-Modulen für Überkopfverglasungen nach den Technischen Regeln für die Verwendung von linienförmig gelagerten Verglasungen Prüfung von Dauerhaftigkeit und Materialverträglichkeit Zeitstandverhalten von Mehrscheiben-Isolierglas nach EN und EN Prüfung der Dauerhaftigkeit an Verbundglas-PV-Modulen - Prüfung der Feuchte EN ISO Prüfung bei hoher Temperatur EN ISO Bestrahlungsprüfungen EN ISO Nachweis der Dauerhaftigkeit von anorganischen Beschichtungen nach EN 1096 Nachweis der Verträglichkeit von Komponenten des PVModuls in Kontakt mit Dichtstoffen, Klebstoffen etc.