Sommerlicher Wärme- und Sonnenschutz: Komfortverbesserung im Sommer | a-energen GmbH

Sommerlicher Wärmeschutz und sein maßgeblicher Einfluss auf die Behaglichkeit

Die für die meisten Menschen als angenehm empfundenen Raumlufttemperaturen liegen bei 21°C – 23°C. Umfangreiche Studien belegen zudem den erheblichen Einfluss von Luftfeuchtigkeit, Luftgeschwindigkeit und körperlicher Aktivität in Innenräumen auf die individuelle Behaglichkeit. Neben der in unserer Klimazone überwiegenden Problematik der zu kalten Wohn- und Arbeitsräume im Herbst, Winter und Frühling gibt es jedoch auch zunehmenden Bedarf an Kühlung. Denn: Steigen im Sommer die Außentemperaturen, kann es in Innenräumen ohne Sonnenschutz schnell zu warm werden. Die empfohlene Höchsttemperatur für den Arbeitsplatz liegt beispielsweise bei +26°C und darf nach der gültigen Arbeitsstättenverordnung ergänzt durch die technischen Regeln für Arbeitsstätten zur Raumtemperatur (ASR A 3.5) nur unter Auflagen überschritten werden. Bei Spitzentemperaturen bis 35°C und mehr, mit denen wir seit Jahren vermehrt konfrontiert werden, lässt sich diese vorgeschriebene Temperatur kaum ohne schützende oder kühlende Maßnahmen erreichen. Verminderter Komfort und Unwohlsein bis hin zu konkreter körperlicher Belastung sind häufige Folgen zu hoher Innenraumtemperaturen. Gerade am Arbeitsplatz sinken Wohlbefinden und Leistungsfähigkeit durch die Wärmebelastung. Aber auch Wohnräume in älteren Bestandsgebäuden sind, vor allem in den obersten Etagen unter dem Dach, häufig von zu hohen Temperaturen betroffen.

Die Ursachen zu hoher Innenraumtemperaturen                 

Nur selten sind die internen Wärmegewinne durch Menschenmengen oder dauerbetriebene Geräte Grund für unangenehm hohe Temperaturen. Primäre Ursache zu hoher Innenraumtemperaturen ist meist der solare Eintrag von außen durch Fenster oder die Gebäudeaußenfläche. Hauptgrund für Überhitzung ist also meist ein fehlender oder unangemessener Sonnenschutz. Wärmestrahlung als Teil des Sonnenlichts erreicht Innenräume durch große, nicht verschattete Fensterflächen meist sehr gut – auch durch indirektes Licht. Große Fensterflächen und Verglasungen ohne zusätzlichen, idealerweise außenliegenden, Sonnenschutz halten die solare Strahlung kaum zurück. Auch eine mangelhafte Konstruktion mit Undichtigkeiten in der Gebäudehülle kann dazu führen, dass unkontrolliert warme Außenluft eindringt und so allmählich die Innenraumluft erwärmt. Ebenfalls trägt der erforderliche Außenluftwechsel bei hohen Temperaturen zum Wärmeeintrag bei. Besitzen die eingesetzten Materialien der Fassade einen großen Wärmedurchgang, d.h. isolieren sie nur mäßig, können sie aufgrund der schnellen Bauteilerwärmung ebenfalls die Ursache für eine hohe operative Raumtemperatur sein. Dies lässt sich besonders bei schlecht gedämmten Dachgeschossen erleben, die im Winter schnell auskühlen und sich im Sommer schnell übermäßig erwärmen. Wir sprechen vom sogenannten „Barackenklima“.

Passive Maßnahmen zum Sonnenschutz und gegen Überhitzung im Sommer

Gebäude in der Stadt werden durch Bäume oder Nachbargebäude bereits baulich vor zu viel direkter Sonneneinstrahlung geschützt. Ist eine Fassade trotzdem der Sonne lange direkt ausgesetzt, braucht es Verschattungsmöglichkeiten oder Bauteile, die speziell dem Zweck des Sonnenschutzes dienen, um Innenräume vor zu viel solarer Strahlung zu schützen. Eine große Vielfalt von Verschattungselementen, raumseitig oder im Außenbereich angebracht, bietet Schutz vor hohen solaren Strahlungseinträgen. Solche Installationen sind maßgebliche Bestandteile zur Einhaltung der EnEV-Anforderungen des sommerlichen Wärmeschutzes. Außenseitig helfen Sonnenschutzdächer oder Markisen, das direkte Sonnenlicht fern zu halten, indem sie großflächig Schatten spenden. Rollläden oder Jalousien haben durch die begrenzte Verschattung der Fensterfläche den gleichen Effekt, wobei sie zudem auch die Möglichkeit bieten, das indirekte Licht durch vollständige Verdunklung abzuhalten. Ein Nachteil ist jedoch, dass sie neben der eigentlichen Fensterfläche keine weiteren Fassadenbereiche vor der Sonne schützen. Eine gute Dämmung der umliegenden opaken Außenbauteile ist in diesem Fall besonders erforderlich zum Schutz vor dem Aufheizen. Die Fassadendämmung ist ein maßgeblicher Faktor des sommerlichen und winterlichen Wärmeschutzes. Ein raumseitiger, d.h. innenliegender, Sonnenschutz ist eher als Notlösung anzusehen, da die Wärme durch das Fensterglas bereits in den Innenraum eindringt, bevor es von Vorhängen oder Jalousien abgefangen wird. So bildet sich hinter diesen Elementen ein Hitzestau, der in den Raum zirkulieren kann. Ist eine außenseitiger Sonnenschutz nicht möglich, kann mit solchen Maßnahmen die Strahlungsenergie und somit die Erwärmung jedoch trotzdem deutlich verringert werden.

Um die Speichermasse des Gebäudes auf natürliche Weise auszukühlen, kann auch die sogenannte sommerliche Nachtlüftung Abhilfe schaffen. Da auch an sehr heißen Tagen die Außenlufttemperaturen in der Nacht meist bei etwa 20°C liegen, führt die Außenluft zu einer Kühlung der Innenräume auf eine behagliche Temperatur. Es wird nach der Idee der Querlüftung auf eine hohe Luftzirkulation gesetzt, die die tagsüber eingetragene Wärme innerhalb der Baumasse in den Nachtstunden schnell abführt.

Da jedoch durch den Klimawandel und die hierdurch erzeugten Extremtemperaturen auch die Temperaturen in der Nacht zunehmend ansteigen und sich zum Teil über mehrere Tage unverändert halten, ist diese natürliche Lüftungsoption vermutlich langfristig betrachtet nicht ausreichend, um der Wärme in der Speichermasse entgegen zu wirken. Im dichten städtischen Kontext ist der Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht normalerweise geringer als in offeneren ländlichen Strukturen, was sich auf die Wärmespeicherfähigkeit der Baumaterialien der Umgebung zurückführen lässt. Langfristig lässt sich der Überhitzung im Sommer daher vermutlich nur mit hoch effizienten Sonnenschutz- und aktiven Kühlungskonzepten entgegen wirken.

Isolierglas, Wärmeschutzglas, Sonnenschutzglas – Was bedeutet das?

Die simple Doppelverglasung mit eingeschlossener Luftschicht, die sogenannte „Isolierverglasung“, ist in Deutschland die wohl bekannteste und verbreitetste Variante, da sie schon in den 50er Jahren eingesetzt wurde. Hier führte die Entwicklung zu einer Verbesserung des U-Wertes der Fensterscheiben von vormals um 5,0 W/m²*K (Einscheibenverglasung) zu 2,5 W/m²*K. Isolierverglasung ist jedoch als veraltet anzusehen und wird heute nicht mehr verwendet.

Die sogenannte Wärmeschutzverglasung stellt eine Weiterentwicklung der Isolierverglasung dar. Ein großer Sprung wurde 1995 gemacht, als die 3. Wärmeschutzverordnung in Kraft trat (als Vorgänger der EnEV) und Wärmeschutzverglasung mit einem U-Wert um 1,5 W/m²K bei Neubau und Modernisierung zur Pflicht wurde. Wurden Ihre Fenster zuletzt vor 1995 ausgetauscht, verfügen Sie mit großer Wahrscheinlichkeit noch über schlecht dämmende Isoliergläser, die dem heutigen Stand der Technik bei weitem nicht gerecht werden. Das Mehrscheiben-Wärmeschutzglas gilt heute als Standard, da es in den kalten Monaten eine schnelle Auskühlung der Innenräume verhindert und so Energiebedarf und Kosten enorm senkt. Um die Funktionsweise des Wärmeschutzglases zu erläutern, braucht es die Erwähnung zweier Faktoren. Einerseits wurde die eingeschlossene Luftschicht durch die Edelgase Argon oder (selten) Krypton ersetzt, die eine geringere Wärmeleitfähigkeit besitzen und die Wärmeübertragung im Fenster fast ausschließlich auf die Strahlung innerhalb der Verglasung begrenzen. Wärmeschutzgläser arbeiten zudem mit der Verminderung dieser Wärmestrahlung der Scheiben untereinander. Für diese bedarf es einer besonderen, hauchdünnen Metallbeschichtung („Low-E-Schicht“) auf der innenliegenden Scheibe, die die Wärmestrahlung zur äußeren Scheibe limitiert. So erreicht sie die Dämmung nach außen, da die Wärme aus dem Innenraum nicht abgestrahlt wird. Ein Zweischeiben-Wärmeschutzglas schafft einen U-Wert von etwa 1,1 W/m²*K.

Aktuelle Modelle wirken durch drei Scheiben mit hocheffizienter Gasfüllung in den Zwischenräume und einer zweiten Low-E-Schicht noch stärker isolierend: Ein Dreischeiben-Wärmeschutzglas schafft Spitzenwerte von 0,5 - 0,7 W/m²*K.

Um die solaren Einträge im Gebäude zu minimieren, bieten Hersteller spezielle Sonnenschutzverglasungen an. Diese arbeiten mit den Prinzipien von Transmission, Reflexion und Absorption und sind damit technisch sehr anspruchsvoll. Wird die Metallschicht an der äußeren Scheibe angebracht, bewirkt sie die Reflexion der Sonnenstrahlung nach außen. Sie bieten eine hohe Lichtdurchlässigkeit bei gleichzeitig stark vermindertem Gesamtenergiedurchlass. Erreicht wird dies durch die Reflexion nicht sichtbarer Infrarotanteile des Lichts (dies bewirkt den Wärmeschutz durch Verringerung der langwelligen, wärmenden Energieeinträge) bei gleichzeitiger Durchlässigkeit des sichtbaren Licht und somit dem Erhalt der natürlichen Belichtung des Innenraums. Ein niedriger g-Wert soll im Idealfall mit einem hohen und farbneutralen Transmissionswert kombiniert sein. Die Beschichtungen sind von nahezu farblich neutral bis zu stark spiegelnd umsetzbar. Auch eine besondere Gestaltung der Glasoberfläche durch Ätzen oder Bedrucken ist bei Sonnenschutzverglasungen möglich.

Neben der Verglasung muss besonders auf den Fensterrahmen geachtet werden. Auch hierfür wurden spezielle Wärmeschutzbauteile entwickelt. Ein Wärmeschutzfenster besteht also immer aus einer isolierenden Verglasung und einem ebenso gut isolierenden Rahmen sowie dem Randverbund der Scheiben zueinander. Hinzu kommt ein korrekter Einbauprozess, der Undichtigkeiten und Wärmebrücken vermeidet.

g-Wert und U-Wert – Was sagen sie aus? 

Ein Anteil des Sonnenlichtes mit der darin enthaltenen Wärmeenergie trifft durch Fenster und verglaste Türen im Innenraum ein, der restliche Anteil wird von der Scheibe reflektiert. Um die eintreffende Wärmeenergie zu reduzieren und die Dämmeigenschaften von Fenstergläsern zu erhöhen, werden Gläser mit verschiedenster Leistung entwickelt. Am relevantesten sind g-Wert und U-Wert. Der g-Wert, wichtig für den Schutz vor solaren Einträgen, beschreibt den Durchlass des einfallenden solaren Spektrums, und damit der Energie, von außen nach innen. Liegt dieser bei 0,6, bedeutet das einen Durchlass von 60% der auftreffenden solaren Energie in den Raum. Dieser Wert entspricht einer üblichen Zweischeiben-Wärmeschutzverglasung. Der dazu in Relation stehende U-Wert gibt wiederum an, wieviel Wärme durch ein Bauteil nach außen abgegeben wird. Seine Einheit ist Watt pro Quadratmeter und Kelvin (W/m²*K). Sinkt bei leistungsstärkeren Fenstern der U-Wert, um einer Auskühlung entgegen zu wirken, sinkt meist auch der solare Gewinn durch die Scheibe, der g-Wert. Im Falle eines von Überhitzung betroffenen Gebäudes sind ein niedriger U-Wert sowie ein niedriger g-Wert als Sonnenschutzmaßnahme anzustreben. Sollen solare Gewinne jedoch bei Niedrigenergiehäusern positiv zum Innenraumklima beitragen, sind sehr niedrige g-Werte nicht gewünscht, da die gewollt eintreffende Wärmeenergie reduziert wird. Zudem vermindert sich zum g-Wert gleichwertig der Anteil der Tageslichttransmission, was zu dunkleren Räumen führt.

Welche Anforderungen sind beim Neubau zu erfüllen?

Beim Neubau stellt der Gesetzgeber bereits im Rahmen des Nachweises der Energieeinsparverordnung (EnEV) strenge Anforderung zur Einhaltung des sommerlichen Wärmeschutzes. Neben anderen, komplexen Nachweisen, muss auch dieser erfüllt und spätestens bei Fertigstellung der Immobilie der Baubehörde vorgelegt werden. Häufig ist die Berücksichtigung der Verschattungs- und Kühlungsoptionen einer Immobilie ein essentieller Bestandteil der Planung und Gestaltung und sollte somit frühzeitig bedacht werden. Fachplaner wie wir können Sie hierzu umfangreich beraten und gegebenenfalls besondere Konzepte entwickeln, um individuellen Wünschen gerecht zu werden. Denn auch hier sind zwar die Anforderungen streng formuliert, können aber durch unterschiedliche Maßnahmen effektiv eingehalten werden.

Explizit fordert die EnEV für den sommerlichen Wärmeschutz die Einhaltung der DIN 4108-2: 2013-02 Abschnitt 8. Ziel ist es, die Überhitzung von Innenräumen zu vermeiden, die Komfort, Gesundheit und Raumhygiene einschränken kann. Um den Anforderungen zu genügen, werden anhand der jeweiligen Situation des Gebäudes individuelle Berechnungen angestellt. Hierzu werden die Sonneneintragskennwerte oder die Übertemperaturgradstunden herangezogen. Die Berechnung darf sich auf die Raumbereiche beschränken, die zu den höchsten Anforderungen führen würden. Werden Räume klimatisiert, müssen bauliche Sonnenschutzmaßnahmen so vorgesehen werden, dass die zur Kühlung erforderliche Energie auf dem notwendigen Minimum gehalten wird. Der sommerliche Wärmeschutznachweis ist daher vorrangig mittels passiver Maßnahmen zu erfüllen. Er orientiert sich hauptsächlich an der Relation von Wand- zu Fensterflächen. Bei einem Anteil der Fensterflächen unter 7 – 10 %, je nach Ausrichtung und Neigung, kann der Nachweis zum sommerlichen Mindestwärmeschutz entfallen, ebenso bei Räumen mit Fensterflächen bis 35%, die ausreichend schützende Vorrichtungen haben. In allen weiteren Fällen werden Berechnungen zum sommerlichen Wärmeschutz erstellt, für die wir eine Gebäudesimulation empfehlen und nutzen. Bei Fensteranteilen von über 70% ist jedoch erfahrungsgemäß die Erfüllung der EnEV-Anforderungen sehr schwer und nur durch besondere Lösungen zu erreichen.

Welche Möglichkeiten habe ich, meine Immobilie nachträglich zu optimieren?

Für Immobilien mit mangelhaftem Sonnen- und sommerlichen Wärmeschutz können viele Maßnahmen auch noch nachträglich umgesetzt werden, um den Innenraum auf unterschiedliche Weise vor Überhitzung zu schützen oder zu kühlen. Hier können wir Sie mit unserem Wissen intensiv beraten, die genauen Ursachen zum Beispiel mittels Gebäudesimulation analysieren und zielgerichtete Maßnahmen zur Verbesserung des Raumkomforts im Sommer planen.

Die Nachrüstung von Klimageräten ist meist die schnellste Lösung. Dezentrale Klimaanlagen, wie beispielsweise Split-Geräte, finden wir häufig dort, wo dem sommerlichen Wärmeschutz in der Gebäudeplanung zuvor eine zu geringe Beachtung geschenkt wurde. Hierzu gehören oft ältere Bestandsbauten, die zu Zeiten realisiert wurden, in denen Energie günstig und Energieeinsparung oder Klimaschutz noch kaum ein Thema waren. Klimaanlagen bringen jedoch unter Umständen nennenswerte Betriebskosten für Energie und Wartung mit sich. Sie können lediglich Wärme und Feuchtigkeit aus der Raumluft abführen, die jedoch weiterhin ohne zureichenden Sonnenschutz im Inneren entstehen. Die klimatische Situation kann also nur in ihren Symptomen behandelt werden. Besonders hohe Temperaturen führen daher zu besonders hohen Energieverbräuchen der Geräte.

Eine umfassende Analyse hilft, die individuelle Gebäudesituation zu verstehen. Dies führt mitunter zur Erkenntnis, dass andere Maßnahmen effektiver und langfristig effizienter wirken, wie beispielsweise ein baukonstruktiver Sonnenschutz oder die Nachrüstung von Möglichkeiten zur sommerlichen Nachtlüftung. Verschattungselemente, Jalousien, Markisen oder Sonnenschutzdächer, die die Strahlungsintensität auf Fensterflächen und Fassadenbereiche verringern, können das Aufheizen der Gebäudemasse und der Raumluft ebenfalls reduzieren. Auch die nachträgliche Dämmung einer mangelhaften Fassade kann den sommerlichen Komfort deutlich steigern, da der Wärmedurchgang von außen nach innen gemindert wird. Für die Heizperiode hätte diese Maßnahme auch den gegenteiligen positiven Effekt der verlangsamten Auskühlung. Diese sogenannten passiven Strategien haben den Vorteil, nach der Installation energiesparend und kostengünstig im Betrieb zu sein, da sie teilweise ganz ohne technische Hilfsmittel funktionieren.

Kühlungsstrategien

Neben den genannten dezentralen Klimageräten gibt es weitere aktive Maßnahmen der Kühlung. Hier lässt sich grob unterscheiden in Systeme, die durch Kreisläufe warme Abluft durch frische und kühle Zuluft tauschen, und Systemen mit Kältemitteln, die sich physikalische Prinzipien der Wärmeübertragung zu Nutze machen und so Wärme abtransportieren.

Ein Beispiel für die Kühlung der Raumluft ist die zentrale Lüftungsanlage. Sie wirkt im gesamten Gebäude und leitet frische, meist durch Wärmetauscher vorgekühlte oder beheizte (ggf. auch be- oder entfeuchtete) Luft dort ein, wo sie verbraucht wird. Hier sind vorrangig Büroräume, Veranstaltungshallen, Schulräume o.ä. zu nennen, in denen eine dezentrale Lüftung nicht die geeignete Luftwechselrate oder andere notwendige Parameter bieten kann. Wie Frischluft in den Raum einströmt, kann zudem bestimmt werden, je nach Zonierung und Nutzung der Innenräume. Um die verbrauchte Luft abzuführen, wird an anderer Stelle Luft im Innenraum angesaugt und je nach System unterschiedlich, jedoch immer zentral aufbereitet. Der Luftkreislauf ist weitestgehend geschlossen, wodurch keine Wärme im Winter verschwendet und im Sommer eingebracht wird. Die Luftqualität kann in verschiedenen Bereichen verschieden erhalten werden, was Nutzungsmischungen in großen Komplexen entgegen kommt. Durch die sehr individuellen Anforderungen an die Luftbedingungen gerade in großen Gebäudekomplexen, ist eine genaue Planung mit Simulation unumgänglich, denn häufig sind derartige Systeme nachträglich nur schwer zu verändern oder bereichsweise umzustellen.

Sind Flächenheizsysteme in Ihrer Immobilie vorgesehen oder in Betrieb, gibt es die Möglichkeit, über diese die Innenräume auch zu kühlen. Man spricht hier von einer „Flächenkühlung“. Sie arbeiten mit dem Prinzip der Wärmestrahlung und nicht mit der Kühlung der Raumluft. Sie können nach derzeitigem technischem Stand mit neuen Wärmekonzepten über regenerative Systeme, wie Wärmepumpen o.ä., gekoppelt werden. Sie sind vor allem im Wand- und Deckenbereich sinnvoll, da eine Kühlung von oben als angenehm empfunden wird und durch den thermischen Auftrieb sinnvoll ist. Die Kühlung über ein Fußbodenheizsystem ist ebenfalls möglich, meist allerdings für den Nutzer weniger angenehm. Somit sollten bereits vor der Planung der Heizsysteme Anforderung an die Kühlung erfasst und bestenfalls als gemeinsames, effizientes System umgesetzt werden.

Deckensegel, die raumklimatische und raumakustische Aspekte vereinen können, sind sehr geeignete Elemente für eine nachträgliche Optimierung. Vor allem in großen Büroräumen oder Innenräumen, die nach einer Umnutzung viele Personen oder Geräuschquellen beherbergen, können Nutzer hierdurch langfristig und vielseitig profitieren. In ihnen finden sich entweder geschlossene zirkulierende Systeme, die die aufgenommene Wärme an anderer Stelle wieder abgeben oder Zu- und Abluftleitungen, die nach oben beschriebenem Prinzip funktionieren. Technische Elemente, Kabel und Leitungen lassen sich vollständig hinter diesen Bauelementen verstecken. Ihre Gestaltung fügt sich somit bei sorgfältiger Planung unauffällig in das Raumbild ein.

Im Allgemeinen ist die wichtigste Grundlage einer effizienten Kühlstrategie die Verringerung der sogenannten „Kühllast“ auf ein Minimum. Die Kühllast ergibt sich aus der eingebrachten Wärmeenergie von solarer Strahlung, Luftwechsel oder interner Wärmeemissionen und ist eine wichtige Größe in der Fachplanung von Kühlsystemen. Sie sollte durch passive, schützende Systeme reduziert werden, sodass die Temperaturdifferenzen im Inneren verringert werden und aktive Systeme nur wenig darauf reagieren müssen. Da das Kühlen nach wie vor mit höheren Energieverbräuchen und Kosten verbunden ist als das Heizen, ist es auch im Interesse des Eigentümers und/oder Nutzers, nicht nur Mindestanforderungen erfüllen zu können, sondern das angemessenste Konzept für die spezifische Nutzung entwickeln und installieren zu können.

Unsere Leistungen

Mit unserem Fachwissen zum sommerlichen Wärmeschutz und Sonnenschutz analysieren wir Ihr Gebäude anhand einer umfassenden und realitätsnahen Gebäudesimulation. Detailliert wird der Neubau bzw. der Bestand in ein 3D-Modell übertragen, mit dem sich verschiedene klimatische Situationen nachstellen und prüfen lassen. So finden wir Schwachstellen und können optimale Lösungen entwickeln. Eine Abwägung aller angemessenen Optionen zu den Themen Sonnenschutz, sommerlicher Wärmeschutz und Kühlungsstrategien gehören hierbei zu unserem Leistungsspektrum. Wir entwickeln für Sie eine individuelle Strategie zur Minderung der Hitzebelastung und Steigerung der Innenraumqualität, nach persönlichem Wunsch und Investitionsrahmen.

Bitte sprechen Sie uns einfach hier an.

a-energen, 08.09.2017