Wir haben bei der Planung klimaresilienter Gebäude viel aufzuholen, denn diesbezüglich wurde der sommerliche Wärmeschutz in der Vergangenheit kaum beachtet. Noch die DIN 4108 forderte ab 1952 „gegen zu starke Erwärmung durch Sonnenbestrahlung im Sommer“ für Wände, Dächer und Fenster nur den winterlichen Wärmeschutz des damaligen Wärmedämmgebietes III [1]. Beim sonnenexponierten Bauteil Dach reichte in der Norm beispielsweise ein U-Wert von nur 1,32 W/(m²K) aus. So ergab sich eine negative Beweisführung für die Bedeutung des Wärmeschutzes der Gebäudehülle auch im Sommer. Dort wo er fehlt, also zum Beispiel bei Altbau-Dachwohnungen mit 3,5 bis 5 cm Holzwolleleichtbauplatten und Verputz, müssen die Bewohner bei 34 °C Außenlufttemperatur raumseitige Innenoberflächentemperaturen um 30 °C und mehr bis in die Morgenstunden ausschwitzen.
Das Flachdach-Handbuch von 1964 [2] klagt über gering gedämmte Flachdächer: „Im Sommer ergeben sich (…) innenseitige Oberflächentemperaturen von +28 bis +32 °C. Dies kann sehr lästig werden. Man fühlt sich unter solchen Dächern wie in einem Backofen.“ Der Ingenieur R. Flügge mahnt 1929 für den Sommerfall mit Skizze an (Abb. 1): „Nicht nur erzeugt in diesem Falle das reiche Speichervermögen des innen vorhandenen Ziegelmauerwerks eine erhebliche Abkühlung der Zimmerluft, sondern der äußere Belag verhindert auch ein Eindringen der Sonnenstrahlenhitze in das Mauerwerk und sorgt dafür, daß der Wand das Speichervermögen für die Abkühlung der Luft weitgehend erhalten bleibt.“ Er hat damit das Wesen des winterlichen Wärmeschutzes als gleichzeitige Lösung für den Sommer erkannt [3].
Komponenten des sommerlichen Wärmeschutzes
Ein guter sommerlicher Wärmeschutz von Gebäuden wird durch ein Bündel von Maßnahmen und Komponenten erzielt, deren Basis der gute Wärmeschutz der Außenbauteile ist. Je nach Größe, Lage, Orientierung, Fensterfläche, inneren Wärmelasten und Nutzung braucht es unterstützend weitere Komponenten (Abb. 2):
Bei höheren Außenlufttemperaturen kommen hinzu:
Bei komplexen Nichtwohngebäuden mit hohen inneren Wärmelasten sind zusätzlich empfehlenswert:
Bild: aus [3]
Wärmeschutz – Grundlage für ein stabiles sommerliches Raumklima
Ein sehr guter Wärmeschutz der Außenbauteile reduziert spürbar den Wärmeeintrag ins Gebäude. Schon bei einem Einfamilienhaus tragen 300 bis 400 m² sonnenbestrahlter Gebäudehüllfläche zur kalorischen Belastung bei. Abb. 3 zeigt die Innenoberflächentemperaturen einer Dachfläche im schwach und optimal gedämmten Fall bei 34 °C Lufttemperatur und erfasst dabei allein die Aufheizung durch die Außenluft. Der Wärmestrom kehrt sich im Sommer um, die raumseitigen Temperaturen der Gebäudehüllflächen liegen in Hitzephasen je nach Dämmniveau zwischen 25 und 32 °C.
Im Gebäude belasten zwei sich aufaddierende Faktoren den menschlichen Organismus: hohe Raumlufttemperaturen plus Wärmestrahlung von den Innenoberflächen der Hüllfläche. Für ein komfortables Sommerklima im Gebäude ist es unabdingbar, dass die raumseitige Hüllflächentemperatur die meiste Zeit niedriger als die Raumlufttemperatur ist. In Hitzephasen sind Überschreitungen zeitweise möglich, sollten aber unter einem Grad Celsius liegen. Dies alles ist bei mäßigem Wärmeschutz nicht zu gewährleisten. Von Gebäuden mit sehr großen Glasanteilen an der Fassade ist bekannt, dass die sommerlichen Innentemperaturen nicht nur in Hitzephasen über der Außentemperatur liegen, wenn keine aktive Kühlung stattfindet [5].
--> Ein guter sommerlicher Wärmeschutz von Gebäuden begrenzt die Innenlufttemperaturen weitgehend unter 25 °C. Ist dies garantiert, kommen Wohnbauten ohne aktive Gebäudekühlung aus.
Simulationsrechnungen von Professor Wolfgang Feist [6] zeigen: Für ein komfortables Raumklima im Sommer sind bei opaken Außenbauteilen U-Werte zwischen 0,1 und 0,15 W/(m²K)
und für die Fenster 0,7 bis 0,8 W/(m²K) erforderlich. Unter diesen Voraussetzungen und bei einem sommerlichen reinen Abluftluftwechsel von 0,5 h-1 per Lüftungsanlage kommen Gebäude – bei moderaten Südfensterflächen und Nord-Süd-Ausrichtung – im Sommer ohne Sonnenschutz aus, wenn Überhitzungszeiten (Übertemperaturhäufigkeit) von 10,8 % der Jahresstunden toleriert werden. Erst über diesen Zeiten bei Temperaturen mit mehr als 25 °C ist der sommerliche Komfort als „schlecht“ zu bewerten.
Dieses Kriterium ist härter als die Anforderungen der DIN 4108-2/GEG. Die raumseitigen Oberflächentemperaturen der Außenbauteile liegen nur 0,5 K über der Raumluft, ganz anders als bei mäßiger Dämmung, wo sie Temperaturen über 30 °C annehmen. Die Einhaltung und Übererfüllung dieses Grenzwertes der Übertemperaturhäufigkeit wurde in zahlreichen Feldmessungen an Objekten in Passivhausstandard bewiesen [7].
Ausgehend von dieser Basisvariante wurde per Simulationsrechnung nach Verbesserungspotenzialen gesucht. Die Ergebnisse: Sowohl die Verschattung der Fenster als auch die Nachtlüftung durch Kippen derselben zu Zeiten, an denen die Außenluft kühler als die Innenluft ist, reduziert die Übertemperaturhäufigkeit von 10,8 % auf 0,5 % bzw. 0,68 %. Würde beispielsweise die Nachtlüftung durch eine aktive Kühlung ersetzt, entstünde ein Stromverbrauch von 7 kWh/(m²a).
--> Mit Nachtlüftung und Fensterverschattung an Süd-, West- und Ostseite können im Wohnungsbau und bei den meisten einfachen Nichtwohnbauten mit wohnähnlicher Nutzung sommerliche Überhitzungsprobleme ausgeschaltet werden.
Bild: Werner Eicke-Hennig
Einfluss von Speichermassen
Dasselbe Gebäude ohne mineralische Speichermassen als Holzleichtbau simuliert, weist eine Übertemperaturhäufigkeit von 17,7 % statt 10,8 % auf. Dies belegt den positiven Einfluss von Speichermassen für den Sommerkomfort in Gebäuden. Die raumseitige Temperatur der hochwärmegedämmten Bauteile lag nicht mehr 0,5 K, sondern 2,5 K über der Raumlufttemperatur, die im Dachraum-Süd auf Werte bis 36 °C anstieg.
Aber auch Holzbauten sind mittels Nachtlüftung und Verschattung raumklimatisch beherrschbar – die meisten Holzhäuser sind ohnehin Hybridbauten mit Speichermasse. Der sommerliche Wärmeschutz von Gebäuden sollte auf jeden Fall durch Speichermasse unterstützt werden. Schon die DIN 4108 formuliert 1952 [8]: „Wenn die Wände oder Decken als temperaturausgleichende Speicher wirken sollen, so ist auf der Außenseite eine Dämmschicht mit möglichst hohem Wärme-
durchlaßwiderstand anzubringen.“ Diese Aussagen werden durch die aktuellen Meßwerte aus dem Projekt „Einfach bauen“ der TU München bestätigt, bei dem das Holz-Mehrfamilienhaus der drei Forschungsgebäude in Bad Aibling die höchsten sommerlichen Innenlufttemperaturen aufweist [9].
Die Aussage in DIN 4108 von 1952 zeigt: Die Speichermasse muss mit der Raumluft in Verbindung stehen. Sie gehört also auf die Innenseite der Bauteile, damit sie Übertemperaturspitzen der Raumluft glätten kann. Die heutige auch unter Energieberatern ungeprüft verwendete Empfehlung, Holzdämmstoffe als Speichermasse in Außenwänden oder dem Dach einzubauen, stammt aus dem Bereich der Baumystik. Sowohl eine experimentelle Studie als auch zwei Simulationen [10] haben gezeigt, dass solche Dämmstoffe keinen erkennbaren Effekt auf die Sommertemperaturen in Räumen haben, weil ihre Masse zu gering ist und an der falschen Stelle wirksam werden soll. Überdies sind die Dämmstoffe durch raumseitige Schichten von der Raumluft entkoppelt.
Es gilt zu erkennen: Die sommerliche Raumtemperatur ist ein Produkt aller Einflussfaktoren auf einen Raum. Der Einfluss massereicherer Dämmstoffe liegt bei einem Kelvin Dämpfung der Raumtemperatur, aber auch nur, wenn beispielsweise die Dachfläche fensterlos ist. Diese Differenz gegenüber anderen Dämmstoffarten baut sich innerhalb einer Stunde wieder ab [10].
Bild: Ubakus
Größe der Südverglasung
Das gebaute und simulierte Passivhaus hat einen Südfensteranteil an der Fassade von 35 %. Die Ergebnisse der Simulation für Dreifach-Wärmeschutzverglasung mit g-Wert 0,5 zeigen: Bis 14 % Verglasungsanteil an der Südfassade (unverschattet) wird die 25 °C-Übertemperaturgrenze durch die Innenlufttemperatur nicht überstiegen [6]: „Bei kleineren Fenstern besteht somit keinerlei sommerliches Überhitzungsproblem in Passiv-
häusern.“ Erst bei größeren Fensterflächenanteilen an der Südfassade über 35 % sind weitere Maßnahmen wie temporärer Sonnenschutz und Nachtlüftung unverzichtbar [11]. „Eine vollständig mit Fenstern belegte Südfassade (Verglasungsflächen-
anteil 70 %) würde ohne sonstige Maßnahmen zu Übertemperaturhäufigkeiten jenseits von 30 % führen.“ Auch Ost- und Westfensterflächen sind wegen des niedrigen Einfallwinkels der Sonnenstrahlen möglichst klein zu halten.
Besondere Bedingungen bei Nichtwohngebäuden
Die meisten Nichtwohngebäude – also Büro- und Verwaltungsbauten, Schulen und so weiter – werden zu wohnähnlichen Bedingungen genutzt und weisen eingeschränkte Nutzungszeiten auf. Eine Studie über ein 4.400 m² Nettogrundfläche umfassendes Büro- und Verwaltungsgebäude kommt zu vergleichbaren Ergebnissen wie die obige Simulation. Durch einen guten Wärmeschutz, Nachtlüftung, Verschattung und geringe interne Wärmelasten (Beleuchtung, Geräte) lässt sich bei südausgerichteten Gebäuden die Klimatisierung vermeiden, was – ganz nebenbei bemerkt – einer Stromersparnis von 20 kWh/(m²a) gleichkommt [12].
Bei größeren, komplexeren Nichtwohngebäuden werden Sonderlösungen für die sommerliche Kühlhaltung benötigt. Im Falle des Ulmer Bürohauses Energon mit über 7.000 m² Nettogrundfläche wurden zum Beispiel nicht nur die inneren Wärmelasten gesenkt, sondern auch eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung und gekühlter Zuluft installiert. Dazu ist das Gebäude mit einer wassergekühlten, 5.000 m2 umfassenden Betonkernaktivierung ausgestattet. Die Abb. 4 und 5 zeigen das Gebäude mit dem einzigen Stromverbraucher: Einer Umwälzpumpe von 3,7 kW elektrischer Leistung, die das Wasser aus den Bohrpfählen in das Kühlsystem zirkulieren lässt.
Bilder: Burkhard Schulze-Darup
Und die Zukunft?
Bislang liegen die Monatsmitteltemperaturen der Außenluft noch unter 25 °C. In Anbetracht des bereits spürbaren und sich weiter intensivierenden Klimawandels mit weiter ansteigenden Außentemperaturen muss der Werkzeugkasten des sommerlichen Wärmeschutzes von Gebäuden erweitert werden. Derzeitige Forschungen laufen unter dem sektorübergreifenden Ansatz der Stromeinsparung. Hierzu gehören zum Beispiel Klimasplitgeräte mit geringem Stromverbrauch sowohl für Heizung und Kühlung, die wiederum einen geringstmöglichen solaren Wärmeeintrag über Fenster und sonstige Hüllfläche voraussetzen. Abb. 6 zeigt den Jahrestromverbrauch eines Klimasplitgerätes mit nur 600 Watt Leistung, das ein Erlanger Passivhaus-Wohnhaus mit 140 m² Wohnfläche beheizt. Die Kühlfunktion wurde bisher kaum benötigt, was noch einmal belegt, wie wichtig eine gut gedämmte Gebäudehülle ist [13].
Es bleibt spannend – Energieberater müssen bei Fragen zum sommerlichen Wärmeschutz von Gebäuden neue Entwicklungen adaptieren. Wir stehen vor der Aufgabe, das Potenzial des passiven sommerlichen Wärmeschutzes zu verdeutlichen, anstatt vorschnell auf die aktive Kühlung mit üblichen Wärmepumpen zu verweisen. Denn sektorübergreifend besehen tun wir uns nichts Gutes, wenn zukünftig in 22 Millionen mäßig gedämmten Altbauten die noch zu installierenden Elektrowärmepumpen auch zur Kühlung herangezogen würden.
Die Szenarien von Prognos [14] lassen bis 2050 rund 22 TWh Jahresstrombedarf für die Gebäudekühlung erwarten – das wären zehn bis 20 Prozent der dann möglicherweise erreichten photovoltaischen Stromerzeugung, die eigentlich im Sommer für die H₂-Erzeugung benötigt würde. Angesichts des mangelhaften sommerlichen Wärmeschutzes in unseren Bestands-
gebäuden brauchen wir eine Debatte über die sektorübergreifend belastbaren Lösungen für die Zukunft. Es wäre effizienter und nachhaltiger, die durch die Gebäudehülle verursachte Probleme auch genau dort zu lösen und nicht auf energieverbrauchende Haustechnik zu verschieben. Klimaschutz heißt eben auch, klassische Denkgebäude zu hinterfragen.
Bild: Martin Hundhausen
Literatur und Quellen
[1] DIN 4108 „Wärmeschutz im Hochbau“ erste Ausgabe von 1952
[2] Karl Moritz, Flachdachhandbuch, Wiesbaden 1964
[3] Richard Flügge, Der Einfluß der Wandausbildung auf die Überhitzung der Wohnräume im Hochsommer, Haustechnische Rundschau 31, 1929
[4] Passivhausinstitut, Protokollband 53, Sommerkomfort – bezahlbar und energie-
effizient in Passivhaus-Wohngebäuden, Darmstadt 08-2018
[5] Eicke-Hennig, Werner, Im Schwitzkasten – Glasarchitektur, Lehren aus einem Großversuch, db 04/2004
[6] Passivhaus-Institut, Protokollband Nr. 15, Passivhaus – Sommerfall, Darmstadt 1998
[7] Beitrag von Marc Großklos und Tanja Schulz in: Passivhausinstitut, Protokollband 53, Sommerkomfort – bezahlbar und energieeffizient in Passivhaus-Wohngebäuden, Darmstadt 08-2018
[8] a.a.O. DIN 4108 Ausgabe 1952
[9] TU München, Einfach Bauen 3 – Messen, Validieren, Rückkoppeln, Schlussbericht, München 2022
[10] IBP-Mitteilung 36, Messtechnische Untersuchungen des Einflusses der Wärmespeicherfähigkeit von Wärmedämmung auf das sommerliche Temperaturverhalten von Gebäuden, München 2009 und Thomas Frank, EMPA, Sommerlicher Wärmeschutz von Dachräumen, wksb 62 /2009. Selbst die Infrarotlampen-Versuchsstände auf Messen kann man schnell falsifizieren: Lässt man die Lampen eine halbe Stunde auf beide zum Vergleich eingesetzten Dämmstoffe strahlen, dann egalisieren sich die anfänglichen Temperaturunterschiede.
[11] Beitrag von Dr. B. Kaufmann in: Passivhausinstitut, Protokollband 53, Sommerkomfort – bezahlbar und energieeffizient in Passivhaus-Wohngebäuden, Darmstadt 08-2018
[12] Dr. Jens Knissel, Energieeffiziente Büro- und Verwaltungsgebäude, IWU, Darmstadt 1999
[13] Prof. Martin Hundhausen aus „X“: https://x.com/M_Hundhausen; Prof. Wolfgang Feist, Heizen mit dem Split-Klimagerät?, Universität Innsbruck 2022
[14] Prognos, Energiewirtschaftliche Projektionen und Folgeabschätzungen 2030/2050, Berlin 2020
Bild: Werner Eicke-Hennig
