Sonnenschutz in der Fassade – wohin mit Sonne und Licht?

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Publikation – ift Rosenheim
Dipl.-Phys. Michael Rossa, Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Benitz-Wildenburg
Sonnenschutz in der Fassade - Wohin mit Sonne und Licht?
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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 18292 „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 (www.iftservice.de).
Bild 1 Energy Label für Fenster
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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
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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 4108-2 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 gtotal , 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 13363-1 einfache Verfahren zur Bestimmung von gtotal. Die Herstellerddaten für die
Verglasung und den Sonnenschutz können in der Regel verwendet werden. Folgenden
Eingangskenngrößen sind hierfür notwendig:
g:
Ug:
B:
B:
Gesamtenergiedurchlaßgrad der Verglasung nach EN 410
Wärmedurchgangskoeffizient der Verglasung nach EN 410
Transmissionsgrad des Sonnenschutzes im solaren Bereich
Reflexionsgrad (innen/außen) des Sonnenschutzes im solaren Bereich
Im Vergleich zum genaueren Verfahren der EN 13363-2 ergeben sich zwar leicht höhere
Werte (s. Tabelle 1), die aber für die Ermittlung der Kühllast eines Gebäudes auf der sicheren Seite liegen.
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Tabelle 1 Ermittlung Beispiele von für gtotal im Vergleich (EN 4108, EN 13363 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-
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missionsgrad durch eine unterschiedliche Belegung der mono- oder polykristallinen PVZellen. 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)
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Nachweis gemäß DIN 4108-2:2013
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 4108-2 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 8.2.2 kann verzichtet werden, wenn bei Wohngebäuden der grundflächenbezogene Fensterflächenanteil < 35% ist und die Fenster
einen außenliegenden Sonnenschutz mit einem Abminderungsfaktor Fc<0,30 (oder
Fc<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 Szul wurden folgende Änderungen vorgenommen:
 Die Klimaregion, Bauart und Nachtlüftung wird in einem S1-Wert zusammen gefasst.
Er gilt für einen grundflächenbezogenen Fensterflächenanteil fWG von etwa 26 %.
 Ein neuer Faktor S2 wurde zur Berechnung für abweichende Fensteranteile als Korrektur zu S1 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 fneig 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 Fc 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 Fc-Werten berücksichtigt.
Als Konsequenz führt das vereinfachte Verfahren mit Szul für viele Gebäude (vor allem bei
leichter Bauart und ohne Nachtlüftung) zu einem niedrigen, teilweise sogar negativen Szul..
Ein negativer Wert von Szul bedeutet in diesem Fall, dass man außerhalb des Anwendungsbereiches des vereinfachten Verfahren ist. In diesen Fällen kann der Nachweis über
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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 Svorh kleiner als der zulässige Sonneneintragskennwert Szul sein
(Formel 1).
S vorh  S zul
(1)
Der vorhandene Sonneneintragskennwert Svorh (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


A  g tot , j
j W,j
Ag
(2a)
(2b)
S zul   S x
Bei gleicher Raumgeometrie, Gebäudeausstattung und Sonnenschutz-Maßnahmen führt
die neue DIN 4108-2 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 4108-2 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.
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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 4108-2:2013 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
4108-2 (Vergleich Fassung 2003/2012)
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Infokasten
Weitere
Informationen
und
Checklisten finden sich unter
www.ift-Rosenheim.de/presse 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.
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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 Fc. Je niedriger der Fc-Wert, desto besser ist der Sonnenschutz in seiner Wirkung. Zu beachten ist,
dass der Fc-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 (Fc = 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.
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Checkliste: Bewertungskriterien für Sonnenschutzsysteme
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Checkliste Kenndaten und Nachweise für BIPV
Elektrische Kenndaten von PV-Modulen
 Elektrische Kenngrößen Pmax, Isc, Uoc, Umpp, bei Standardtestbedingungen, NOCT-Wert, Temperaturkoeffizienten nach DIN EN 60904-1
 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 PVModulen 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 12600 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 1279-2 und EN 1279-3
 Prüfung der Dauerhaftigkeit an Verbundglas-PV-Modulen
- Prüfung der Feuchte EN ISO 12543-4
- Prüfung bei hoher Temperatur EN ISO 12543-4
- Bestrahlungsprüfungen EN ISO 12543-4
 Nachweis der Dauerhaftigkeit von anorganischen Beschichtungen nach EN 1096
 Nachweis der Verträglichkeit von Komponenten des PVModuls in Kontakt mit Dichtstoffen,
Klebstoffen etc.
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