Überhitzung verhindern – den Wandel kalkulieren

Dem sommerlichen Wärmeschutz in Gebäuden wird aufgrund des Klimawandels künftig eine immer wichtigere Bedeutung zukommen. Die negativen Auswirkungen von zu warmen Räumen reichen von Komforteinbußen bis hin zu ernsten gesundheitlichen Folgen. Aber auch der bei ­höheren Raumtemperaturen ansteigende Stromverbrauch zur Raumkonditionierung und dessen negativer Rückkopplungseffekt auf den Klimawandel ist ein ernst zu nehmendes Problem.

Die Entwicklung von Strategien zur Vermeidung von Überhitzung von Innenräumen ist deshalb von immenser Bedeutung. Derzeit gelten Vorschriften bezüglich eines zu gewährleistenden sommerlichen Wärmeschutzes nur für Neubauten. Gesetzliche Grundlage ist das Gebäudeenergiegesetz mit der Verpflichtung zur Einhaltung der „Mindestanforderung an den sommerlichen Wärmeschutz“ nach DIN 4108-2:2013-02. Ziel dieser Norm ist, durch passive Maßnahmen den Kühl­energiebedarf für gekühlte Gebäude gering zu halten bzw. in Gebäuden ohne Kühlung hohe sommerliche Raumtemperaturen zu vermeiden. Allerdings bezieht sich die derzeit anzuwendende Norm auf Klimadaten, die auf Basis von Wetterdaten der Jahre 1988 bis 2007 generiert wurden, so dass der derzeitige Nachweis weder die warmen Sommer der vergangenen Jahre noch die künftige Entwicklung im Hinblick auf den Klimawandel abbildet. Aber auch eine weitere Fragestellung drängt sich auf: Wirken die uns bekannten passiven Maßnahmen auch bei fortschreitendem Klimawandel? Was werden in den kommenden Jahren die einflussreichsten Parameter für die sich einstellenden Raumtemperaturen sein? Und wirken sich die Maßnahmen auf den Energiebedarf aus? Auf diese Fragestellungen sollen, basierend auf den Ergebnissen von mehr als tausend Simulationen, Antworten gegeben werden.

Einen Einstieg in die Thematik gibt  die Übersicht „Einflussgrößen auf die Raumtemperatur“: Neben klimatischen Bedingungen wie Außenlufttemperatur, Solarstrahlung, Windgeschwindigkeit und ­-richtung haben eine Vielzahl weiterer Parameter Einfluss auf die resultierende Raumtemperatur. Da sich die Einflussfaktoren gegenseitig beeinflussen, weist das Thema sommerlicher Wärmeschutz eine hohe Komplexität auf.

Thermische Simulationen

Typische Musterräume von Wohngebäuden, Büros und Schulen wurden entworfen, für die eine Variantenmatrix mit unterschiedlichen Fensterflächenanteilen, Maßnahmenpaketen und Klimadaten aufgestellt wurde. Das Büro-Raummodell, für das anschließend Ergebnisse gezeigt werden, basiert auf einem 2-Personen-Büro mit 21 m² Nettoraumfläche und den Fassadenkonfigurationen Lochfassade, Fensterband und Vollverglasung.

Als Klimadaten werden verschiedene Testreferenzjahre (TRY) des Deutschen Wetterdienstes (DWD) verwendet, aber für einen Vergleich auch konkrete Wetterdaten des sehr warmen Sommers 2018 und für ein Worst-Case-Szenario erzeugte Klimadaten für das Jahr 2050. Die Kennwerte dieser Klimadaten sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: Kennwerte ausgewählter Klimadaten am Beispiel des Standorts Potsdam















Hinweise: Das TRY 2010 wurde dem Testreferenzjahr-Datensatz 2011 entnommen, die TRY 2045 dem sogenannten „Klimaberatungsmodul“ mit ortsgenauen Klimadaten des Testreferenzjahr-Datensatzes 2017 und die Klimadaten 2050 RCP8.5x wurden mit der Software Meteonorm erzeugt.
Als Sommertag wird bezeichnet, sobald ein Stundenwert des Tages 25 °C übersteigt, ein Hitzetag bei einem Stundenwert von mehr als 30 °C und eine tropische Nacht, wenn 20 °C nicht unterschritten werden.
Grafik: UBA

Das derzeitig für den simulativen Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes verwendete TRY 2010 Normaljahr, kann nach Analyse der Klimadaten als veraltet angesehen werden (vgl. Tabelle 1). Von Architekten und Bauphysikern ist diese Erkenntnis beim Erarbeiten eines Konzeptes für den sommerlichen Wärmeschutz unbedingt zu beachten. Die Testreferenzjahre werden derzeit vom DWD aktualisiert. Mit einem Erscheinen ist im Laufe des Jahres 2024 zu rechnen. Für die Aktualisierung der DIN 4108-2, an der derzeit gearbeitet wird, kommt die Fertigstellung der neuen Testreferenzjahre allerdings zu spät.

Auf Basis langjähriger Praxiserfahrung werden typische Maßnahmenpakete für den sommerlichen Wärmeschutz geschnürt: Minimal (MIN) mit wenig Maßnahmen, Standard (STD) mit einem durchschnittlichen Maßnahmenpaket, Maximum (MAX) mit vielen Maßnahmen. Beim Büro bedeutet das MIN-Maßnahmenpaket lediglich eine außenliegende Jalousie vor den Fenstern, beim STD-Maßnahmenpaket kommt eine Auskühlung über freie Nachtlüftung hinzu und für das MAX-Maßnahmenpaket sind zusätzlich noch eine Sonnenschutzverglasung und eine mechanische Lüftung mit adiabater Kühlung im Tagbetrieb, welche auch zur Nachtlüftung verwendet wird, integriert.

Die Auswirkungen steigender Außentemperaturen auf die Überhitzung im Raum erfolgt über die Auswertung der jährlichen Übertemperaturgradstunden (nach: Komfortband des Nationalen Anhangs der DIN EN 16798-1:2022-03) von mehr als 1 500 Simulationen.

Der Einfluss des gewählten Maßnahmenpakets und der Klimadaten auf die Überhitzung ist immens (s. Abb. 2). Während das STD-Maßnahmenpaket für die TRY 2010 ausreicht, ist das für Klimadaten, die den Klimawandel abbilden, nicht mehr der Fall. Ergreift man jedoch mehr Maßnahmen (MAX), kann der als Linie eingezeichnete Anforderungswert weiter unterschritten werden.

Abbildung 2: Übertemperaturgradstunden 2-Personen Büro (Fall: westorientierte Fassade mit
Fensterband, Standort Potsdam)















Legende
Maßnahmenpakete Sommerlicher Wärmeschutz: MIN – außenliegende Jalousie, STD – MIN + Nachtlüftung über wetter- und einbruchsgeschützte Fensterelemente, MAX – MIN + RLT-Anlage, die tagsüber eine indirekte Verdunstungskühlung und nächtens eine Nachtlüftung ermöglicht.
Die gestrichelte Linie zeigt den Anforderungswert an, der unterschritten werden sollte.
Quelle: IBH

Auch im Vergleich zu anderen Parametern zeigt sich, dass das Maßnahmenpaket und die Klimadaten den größten Einfluss auf die sommerliche Überhitzung haben (s.Abb 3). Aber auch der (grundflächenbezogene) Fensterflächenanteil und der Standort haben belangreiche Auswirkungen. Andere Parameter hingegen, wie Energiestandard, Bauweise und Orientierung beeinFflussen die sommerlichen Raumtemperaturen deutlich weniger. Insbesondere der geringe Unterschied zwischen unsaniertem Altbau und EH40-Standard überrascht. Zu erklären ist dies mit den gegenläufigen Auswirkungen von einer Verbesserung durch einen geringen g-Wert (3-Scheiben-Vergasung) und einer Verschlechterung durch bessere U-Werte der Außenbauteile und geringerer Infiltration. Ja, es ist tatsächlich so, dass eine bessere Dämmung der Außenwand den sommerlichen Wärmeschutz verschlechtern kann, weil die nächtliche Abkühlung über Transmission eingeschränkt wird. Dies würde aber nicht für Räume mit besonders sonnenexponierten Bauteilen (z. B. Steildach) und dunklen Außenoberflächen gelten: Hier würde sich mehr Dämmung, welche die Wärmeabstrahlung von solar aufgeheizten Bauteilen in den Raum unterbindet, merklich positiv auf den sommerlichen Wärmeschutz auswirken.

Abbildung 3: Einfluss verschiedener Parameter auf die Überhitzung – Büroraum
Ausgangsfall: 2-Personen-Büroraum mit Fensterband, TRY 2045, Standort Potsdam, STD-Maßnahmenpaket,
Westorientierung

Quelle: IBH

Dass die Orientierung für alle Nutzungstypen so geringen Einfluss hat, ist dem Ausgangsfall geschuldet, der für alle Orientierungen einen außenliegenden Sonnenschutz vorsieht, der den solaren Eintrag stark reduziert. Der Einfluss der Bauweise hängt ab vom Potenzial, Wärme abzuführen (z. B. durch Nachtlüftung) und vorhandene Speichermassen abzukühlen. Durch eine schwere Bauweise lassen sich so die Übertemperaturgrad­stunden (ÜTGS) stark reduzieren.

Auswirkungen auf den Gebäude-Energiebedarf

Nach der Auswertung der Überhitzung anhand der Übertemperaturgradstunden soll in Abb. 4 das Augenmerk auf den mit den jeweiligen Maßnahmenpaketen verbundenen Energiebedarf – auch im Vergleich zu einer aktiven Kühlung – gerichtet werden.

Eine Sonnenschutzverglasung führt zum Anstieg des Heizwärme- und Kunstlichtbedarfs (s. schwarze Säulen MIN im Vergleich zu MAX, Abb.4). Diese Verschiebung beim Energiebedarf ist zwar relevant, aber gering im Vergleich zum Strombedarf für die mechanische Belüftung. Der Strombedarf ist beim MAX-Maßnahmenpaket aufgrund der Lüftungsanlage zur Tag- und Nachtlüftung am höchsten, und das trotz Reduzierung der Lüftungswärmeverluste durch die Wärmerückgewinnung der Lüftungsanlage. Konkret erhöht sich im gezeigten Fall der jährliche Strombedarf für Kunstlicht aufgrund der Sonnenschutzverglasung um 0,8 kWh/m², für eine mechanische Nachtlüftung um 6,2 kWh/m² (vgl. Unterschied zwischen MAX und OPT), für eine aktive Kühlung um 4,7 kWh/m² und für eine passive Kühlung über Grundwasser um 1,3 kWh/m². Diese Ergebnisse zeigen, dass eine zentrale mechanische Nachtlüftung alles andere als energieeffizient und sogar schlechter als eine aktive Kühlung ist. Diese gilt aber nach derzeitiger Definition für den Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes als passive Maßnahme.

Abbildung 4: Energiebedarf für das 2-Personen-Büro am Beispiel eines westorientierten Büroraums mit Fensterband (Potsdam TRY2045)

Legende
Maßnahmenpakete Sommerlicher Wärmeschutz: MIN – außenliegende Jalousie, STD – MIN + Nachtlüftung über wetter- und einbruchsgeschützte Fensterelemente, MAX – MIN + RLT-Anlage, die tagsüber eine indirekte Verdunstungskühlung und nächtens eine Nachtlüftung ermöglicht, OPT – wie MAX aber freie Nachtlüftung wie bei STD, KKM – MIN + aktive Kühlung über Kältemaschine, GEO – MIN + passive Kühlung über Grundwasser
Hinweis: Als Heizsystem wird eine elektrisch betriebene Wärmepumpe angesetzt, um den Bedarf auf Endenergie-Ebene (Strombedarf) vergleichen zu können.
Quelle: IBH

Besteht hingegen eine Möglichkeit zur Kühlung über Geothermie (z. B. Grundwasser), ist diese als besonders energieeffizient zu empfehlen. Ob weitergedacht eine aktive Kälteerzeugung in Verbindung mit einer PV-Anlage, die sowohl den Gebäudestrombedarf inklusive Kühlung als auch den Nutzerstrom decken kann, als Bestandteil einer energieeffizienten Umsetzung des sommerlichen Wärmeschutzes gelten sollte, ist in diesem Zusammenhang zu diskutieren. Bestechender Vorteil dieser Kombination wäre, dass die höchste PV-Stromerzeugung mit dem Betrieb der Kältemaschine zeitlich zusammenfallen würde. Natürlich wird in einer Energiewirtschaft der Zukunft jede regenerativ erzeugte Kilowattstunde gebraucht, aber bis die hierfür nötigen Speicher- bzw. Umwandlungssysteme vorhanden sind, sollten die Vorteile dieser Kombination genutzt werden.

Schlussfolgerungen

Die Ergebnisse des Forschungsprojekts zeigen, dass die Herausforderungen an das Bauwesen, die steigende Außentemperaturen und Hitzewellen mit sich bringen, hoch sind. Die Vermeidung von Überhitzung durch eine integrale Planung, d. h. mit robuster Bauweise und sehr geringem Energieeinsatz, ist eine dringliche Aufgabe auf dem Weg zu nachhaltigen Gebäudestrategien. Trotz der Komplexität und der vielen Einflüsse lassen sich auf Basis der Vielzahl an durchgeführten Simulationen Aussagen treffen. Passive Maßnahmen in Kombination können auch künftig effektiv gegen Überhitzung wirken. Geeignete Handlungsmöglichkeiten betreffen sowohl die Gebäudehülle als auch die Anlagentechnik.

Wichtigste Stellschrauben beim sommerlichen Wärmeschutz werden auch künftig sein:

– ein moderater grundflächenbezogener Fens­terflächenanteil

– ein wirksamer Sonnenschutz

– Lüften in Abhängigkeit des Kühlpotenzials (d. h. Lüften mit hohem Luftwechsel, wenn es draußen kühler ist als drinnen) – wichtig: aufgrund der schlechten Energieeffizienz sollte die Nachtlüftung nicht über eine zentrale Lüftungsanlage erfolgen (!)

– passive Kühlung über Grundwasser oder Erdsonden

In der letzten Dekade ging die anlagentechnische Entwicklung bei Bauprojekten immer mehr in Richtung Flächenheizsysteme in Kombination mit Wärmepumpen und dieser Trend setzt sich, verstärkt durch die Energiekrise, noch weiter fort. Bei Nutzung von Grundwasser oder Geothermie als Wärmequelle kann im Sommer sodann im Wasser oder Erdreich gespeicherte „Kälte“ genutzt werden. Sollte diese aufgebraucht sein, könnte eine Wärmepumpe – reversibel betrieben – ergänzend Kälte erzeugen. Für die Kälte-Übergabe in den Raum lässt sich das Flächenheizsys­tem (z. B. Fußbodenheizung) ohne Investitionsmehraufwand nutzen. Derartige energie- und vor allem auch kosteneffiziente Systeme in Verbindung mit einer möglichst großen PV-Anlage sind zukunftsfähig.

Gebäude sollen vor Umweltauswirkungen schützen. Durch den Klimawandel muss nun das Augenmerk verstärkt auf den sommerlichen Schutz gerichtet werden. Damit der Klimawandel nicht noch durch stark steigenden Strombedarf für die Kühlung von Gebäuden angeheizt wird, müssen die klimatischen Veränderungen von der Architektur und beim Technikkonzept aufgenommen und verarbeitet werden. Die hierfür notwendigen Mittel sind bekannt und einfach. Diese werden auch bei steigenden sommerlichen Außentemperaturen ihre Wirkung entfalten.