Mehr Resilienz, bitte!

Der Klimawandel führt zu steigenden Jahresmitteltemperaturen – in der Folge nehmen extreme Wetterereignisse wie Hagel, Hitze, Hochwasser, Starkregen und Sturm zu. Die immer heftigeren Katastrophen führen der Menschheit diese Veränderungen vor Augen und stellen das Bauwesen vor erhebliche Herausforderungen, da Gebäude und Liegenschaften häufig noch nicht ausreichend an die neuen klimatischen Bedingungen angepasst sind. Die Folgen sind nicht nur zerstörte Bauteile und Gebäude, wie die jüngsten Ereignisse in Los Angeles (Waldbrände), Valencia (Hochwasser) und Greenfield/Iowa (Tornado) zeigen, sondern auch gesundheitsgefährdend und lebensbedrohlich.

Gleichzeitig trägt das Bauwesen durch Flächenverbrauch, Energiebedarf, Emissionen und Abfallproduktion über den gesamten Lebenszyklus erheblich zum Klimawandel bei. Vor diesem Hintergrund sollte bei der Konzeption und Umsetzung von Anpassungsmaßnahmen an den Klimawandel stets auch der Klimaschutz mitbeachtet werden [4]. In diesem Beitrag präsentieren und erläutern die Autoren Erkenntnisse aus unterschiedlichen Forschungsaktivitäten. Weiterführende Informationen finden sich unter anderem in der Broschüre Klimaangepasste Gebäude und Liegenschaften [4] und im Leitfaden für biodiversitätsfördernde Fassadenbegrünung [5].

Betroffenheit

Die Auswirkungen des Klimawandels variieren auch in Deutschland stark zwischen den Regionen – ein gutes Beispiel hierfür sind sommerliche Hitzeperioden. Hierzu wurden im Rahmen einer Untersuchung für einen Modellraum die auftretenden Übertemperaturgradstunden ([8]) mittels thermischer Gebäudesimulation in Wufi-Plus [12] für unterschiedliche Klimaregionen Deutschlands [1] ermittelt und in Bezug zur gewählten Referenzregion Potsdam gesetzt (Abb. 1). Hierbei zeigen sich starke regionale Abweichungen. Während in den Hochlagen, zum Beispiel in den Voralpen oder im Mittelgebirge, die Übertemperaturgradstunden deutlich reduziert sind, verdoppeln sich annähernd die Werte in den Tälern der südwestlichen Regionen Deutschlands.

Die Betroffenheit differiert auch hinsichtlich der unterschiedlichen Wetterereignisse. Die Tabelle in Abb. 2 gibt hierzu einen Überblick für Deutschland einschließlich der zukünftigen Tendenzen. Es zeigt sich, dass für die sommerliche Hitze nicht nur die größte regionale Betroffenheit vorliegt, sondern auch die stärkste prognostizierte Änderung.

Dies zeigen auch die zu erwartenden Temperaturänderungen für den Standort Stuttgart (Abb. 3). Selbst beim optimistischen Klimaszenario RCP 2.6 nach [11] kommt es zu einer weiteren Temperaturzunahme bis zur Mitte dieses Jahrhunderts, bevor eine Trendwende einsetzt. Beim pessimistischen Szenario RCP 8.5 [11] setzt sich die Temperaturzunahme ungebremst fort.

Bei Nutzungsdauern der heutigen Neubauten von 50 Jahren und mehr erschließt sich hinsichtlich der Problematik sommerlicher Hitze zwangsläufig, dass diese unbedingt an die zu erwartenden weiter steigenden Temperaturen anzupassen sind, worauf die bestehenden Regeln noch nicht eingehen. So basiert der vereinfachte Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes nach der geltenden DIN 4108-2 [8] auf Testreferenzjahren, die aus Klimadaten der Jahre 1988 bis 2007 [6] generiert wurden, welche also zwischen den historischen und aktuellen Werten in Abb. 3 liegen. Somit ergibt sich bereits jetzt eine Diskrepanz zu gegenwärtigen Werten, die für den Nutzungszeitraum von Gebäuden nochmals deutlich größer wird.

Aufgrund dieser Herausforderungen fokussieren wir uns nachfolgend auf den Aspekt der sommerlichen Hitze. Nichtsdestotrotz sind an jedem Standort auch die Gefahren durch Extremereignisse wie Stark- und Schlagregen, Hochwasser sowie Sturm und Hagel zu beachten [4].

Bild: Fraunhofer IBP Stuttgart

Anpassung an den Klimawandel

Die DIN EN ISO 14091 [2] beschreibt einen Rahmen zur Anpassung an den Klimawandel. Die systematische Methodik (Abb. 4) dient als Leitfaden, um ­Risiken

Die Gefährdung beschreibt hierbei die potenzielle Schadensquelle (das Wetterereignis): Die Exposition meint das Vor­handensein von Menschen oder Gebäuden, die betroffen sind, und die Sensitivität bezieht sich auf das Ausmaß der Betroffenheit.

Forschungsmethode

Im Rahmen einer Untersuchung [4] wurde die Sensitivität einer fiktiven Liegenschaft in Form eines dreigeschossigen Mehrfamilienhauses (Wohnriegel mit Flachdach, Keller und Tiefgarage) im urbanen Umfeld untersucht. Ausgehend von einem Referenzmodell erfolgten systematische Parameterstudien mittels hygrothermischer Bauteil- bzw. Gebäudesimulation in Wufi-Pro [13] bzw. Wufi-Plus [12] für Anpassungen im Außenraum sowie auf Gebäude- und Bauteilebene (Abb. 5). Die Wirksamkeit der alternativen Parameter auf Größen wie Oberflächentemperaturen oder Übertemperaturgradstunden (ÜTGh) eines Musterraums (zur Vergleichbarkeit abweichend von [8] für alle Standorte mit q_b,op=27 °C) erschließen deren Potenzial an die sommerliche Hitze. Die folgenden Kapiteln gehen auf die Ergebnisse der Parameter Außenraum, Gebäude und Bauteil ein.

Außenraum

Die Gestaltung urbaner Oberflächen beeinflusst maßgeblich das Mikroklima im Außenraum. Dies zeigt ein Vergleich der Oberflächentemperaturen zweier unterschiedlicher Betonflächen sowie einer Rasenfläche an einem strahlungsreichen Sommertag (Abb. 6). Die hellere Betonfläche weist sowohl tagsüber („max.“) als auch nachts („min.“) durch ihre höhere Albedo geringere Oberflächentemperaturen auf, während sich die dunklere Fläche aufgrund ihrer stärkeren Strahlungsabsorption stärker aufheizt. Die Rasenfläche zeigt einen weiteren Effekt: Der latente Kühleffekt durch Verdunstung reduziert die Temperatur und verringert somit die sich einstellenden Oberflächentemperaturen. Derart begrünte Flächen benötigen an heißen Sommertagen jedoch eine (zusätzliche) Bewässerung, die bei dieser Auswertung simulativ berücksichtigt wurde.

Der Temperaturverlauf in Abb. 7 simuliert den Einfluss der Vegetation infolge unterschiedlich dichter Baumkronen auf die Oberflächentemperatur der Westfassade des Mustergebäudes an einem strahlungsreichen Tag. Das Ergebnis zeigt die direkte Auswirkung der einfallenden Strahlung: Dichte Baumkronen mit einem hohen Verschattungsfaktor führen zu über fünf Kelvin niedrigeren Oberflächentemperaturen der Fassade im Vergleich zu unverschatteten Bereichen. Sie tragen somit allein durch ihre Verschattung dazu bei, den Wärmeeintrag in das Gebäude zu reduzieren, wobei latente Kühleffekte noch nicht berücksichtigt sind. Es wird deutlich, dass die Vegetation einen erheblichen Beitrag zur natürlichen Klimaregulation und somit zur Klimaanpassung leistet.

Bild: Fraunhofer IBP Stuttgart

Gebäude

Auch die Oberflächengestaltung der Fassaden beeinflusst die thermischen Bedingungen des Gebäudes, wie der Vergleich unterschiedlicher Farbtöne in Abb. 8 zeigt. Bei dunklen Fassaden steigt im Musterraum die Zahl der ÜTGh durch eine erhöhte Absorption deutlich an, im Extremfall um bis zu 24 Prozent. Weitaus deutlicher als die Farbgebung der opaken Fassade beeinflussen jedoch die Glasflächen eines Gebäudes den Energieeintrag in die Innenräume. Maßgebliche Parameter hierbei sind die Fassadenorientierung und die Größe transparenter Flächen (Abb. 9).

Das Kreisdiagramm (links) in Abb. 9 zeigt den Einfluss der Fassadenorientierung auf die Übertemperaturgradstunden; rechts daneben der Energiebedarf des untersuchten Raums in Relation zum Bezugswert (Westorientierung). Die Analyse der ÜTGh zeigt eine grobe achsensymmetrische Verteilung, wobei die Werte bei Ostorientierung den Bezugswerten entsprechen. Deutlich weniger ÜTGh stellen sich für die nach Norden orientierte Fassade ein. Die Werte sinken auf lediglich 37 Prozent.

Zu beachten ist für die Nordorientierungen nach [8] eine strahlungsabhängige Aktivierung des Sonnenschutzes bereits ab 200 W/m². Mit einer durchgängigen Grenzbestrahlungsstärke von 300 W/m² wie für die anderen Orientierungen würde sich der Wert aufgrund der im Winter tiefstehenden Sonne sogar noch etwas erhöhen (gestrichelte Linie).

Durch eine Südorientierung lassen sich die ÜTGh auf 62 Prozent reduzieren. Gleichzeitig erreicht diese Ausrichtung hinsichtlich des jährlichen Energiebedarfs die niedrigsten Werte, wenn auch, bedingt durch den insgesamt hohen Dämmstandard des Mustergebäudes, auf einem niedrigen Niveau. Die Reduktion des Energiebedarfs beträgt fünf Prozent, während sich dieser an der Nordfassade um fünf Prozent erhöht. Somit erweist sich die Südorientierung als günstige Ausrichtung sowohl hinsichtlich des sommerlichen Wärmeschutzes als auch der Energieeffizienz des Gebäudes.

Neben der Orientierung beeinflusst auch die Größe der transparenten Flächen den solaren Energieeintrag (Abb. 9, rechts). Reduziert man die Fensterfläche um ein Viertel, minimieren sich die ÜTGh des nach Westen ausgerichteten Raums auf 37 Prozent. Eine Vergrößerung der transparenten Fläche um denselben Anteil erhöht die ÜTGh um 86 Prozent. Die Werte für einen nach Süden ausgerichteten Raum verhalten sich ähnlich, jedoch mit insgesamt geringeren Werten. Trotz der Nachteile beim sommerlichen Wärmeschutz können große transparente Flächen funktional notwendig oder auch energetisch vorteilhaft sein – dann kommen Anpassungen auf Bauteilebene in Frage.

Bauteile

Klimaanpassungen aufgrund sommerlicher Hitze an Fassaden und Dächern erfolgen in der Regel durch eine sinnvolle Kombination von Wärmespeicherung und Wärmedämmung sowie bei transparenten Bauteilen durch Variation des Gesamtenergiedurchlassgrads und einen angepassten Sonnenschutz.

Eine hohe Wärmespeicherkapazität massiver Baustoffe wie Ziegel oder Beton kann tagsüber Temperaturspitzen abmildern und durch (erhöhte) Nachtlüftung die gespeicherte Wärme abführen, sodass Räume wieder auskühlen. Eine hohe Wärmedämmung reduziert nicht nur thermische Verluste im Winter, sondern kann auch im Sommer vor übermäßiger Erwärmung schützen. Das linke Diagramm in Abb. 10 zeigt die resultierenden Oberflächentemperaturen sowie die sich einstellenden ÜTGh im Musterraum für ein Wärmedämmverbundsystem (WDVS), ein zweischaliges Mauerwerk (MW) sowie eine Fachwerkkonstruktion mit Innendämmung (FW); im rechten Diagramm sind die Werte für Warm- (WD) und Kaltdächer (KD) im Beton- und Holzbau abgebildet.

Das WDVS mit heller Oberfläche im linken Diagramm dient als Referenz. Mit außenliegender Dämmschicht und einer hohen Speichermasse heizen sich die Innenoberflächen im Vergleich zu den anderen Konstruktionen geringer auf. Eine dunkle Fassadenoberfläche führt, wie zuvor erörtert, zu höheren Temperaturen der Außenoberfläche und folglich auch zu erhöhten Werten der Innenoberfläche sowie der ÜTGh im betrachteten Musterraum.

Im Vergleich zum WDVS heizen sich die Oberflächen des zweischaligen Mauerwerks außen zwar weniger auf, im Innenraum sind die Oberflächentemperaturen und damit die ÜTGh jedoch höher als beim hellen WDVS. Auch hier spielt die Speichermasse eine entscheidende Rolle. Außenseitig vor der Dämmung weist das zweischalige Mauerwerk eine höhere Masse auf, zum Innenraum hin jedoch eine geringere. Der Einfluss der (geringeren) Masse zeigt sich noch deutlicher bei der Fachwerkkonstruktion mit innenliegender Dämmschicht, die bei diesen Konstruktionen den größten Anstieg der ÜTGh aufweist.

In Summe zeigt sich der positive Effekt der Speichermasse, um eine übermäßige Aufheizung zu verhindern und die thermischen Behaglichkeit zu steigern. Sie sollte möglichst vom Innenraum nicht durch Wärmedämmung entkoppelt sein. Massive Innenbauteile wirken unterstützend und können fehlende Speichermasse der thermischen Hülle (zum Beispiel im Fall einer Innendämmung aus Gründen des Denkmalschutzes) kompensieren.

Vergleichbare Mechanismen zeigen sich bei den Ergebnissen verschiedener Dachkonstruktionen (Abb. 10, rechtes Diagramm). Die Verläufe der Außenoberflächentemperaturen unterscheiden sich aufgrund der vergleichbaren Masse der Kiesdeckung kaum voneinander. Die Innenoberflächentemperaturen und die daraus resultierenden ÜTGh sind bei den Betonkonstruktionen jeweils niedriger. Insgesamt erzielt das Kaltdach günstigere Werte als das Warmdach, primär bedingt durch die Luftschicht, welche die thermisch wirksamen Schichten zusätzlich entkoppelt.

Bei vorgegebener Orientierung und Fensterfläche bieten sich Verglasungsart und Sonnenschutzsystem als Parameter an, das Überhitzungsrisiko zu reduzieren (Abb. 11). Der Effekt ist im Vergleich zu den opaken Systemen deutlich höher. Eine effektive Sonnenschutzvorrichtung mit sehr niedrigen Abminderungsfaktoren F_c kann die solare Einstrahlung und somit auch die sich einstellenden Übertemperaturgradstunden erheblich vermindern. F_C-Werte unterhalb 0,5 sind jedoch in der Regel nur mit außenliegenden Sonnenschutzsystemen zu erreichen – hierbei sind Sturm- oder Hagelrisiken zu beachten. Eine Alternative wären Sonnenschutzlamellen im Scheibenzwischenraum [9].

Ebenfalls wirksam ist ein niedriger Gesamtenergiedurchlassgrad der Verglasung, jedoch reduziert dieser stets auch das einfallende Tageslicht und im Winter die solaren Gewinne. Ideal wäre in jedem Fall eine sinnvolle Kombination beider Mechanismen.

Bild: Fraunhofer IBP Stuttgart

Ausblick

Wirksame Schritte zur Klimaanpassung an sommerliche Hitzeereignisse wie Speichermasse und Nachtlüftung erschließen sich durch das Anwenden des vereinfachten Sonneneintrags-Kennwertverfahrens nach DIN 4108-2 [8]. Weitere Aspekte wie die Gestaltung des Außenraums oder die Farbgebung der Fassade werden normativ nicht systematisch berücksichtigt. Ein weiterer Aspekt, dessen Systemwirkungen derzeit noch erforscht werden, sind „grüne Strukturen“ am Gebäude wie zum Beispiel Grünfassaden. Erste Ergebnisse zu Wirkmechanismen eines biodiversitätsfördernden Fassadensystems finden sich in [10]. Der Beitrag des untersuchten Systems zu einer klimaangepassten Umweltgestaltung ist in Abb. 12 zusammengestellt.

Eine klimaregulierende Wirkung ergibt sich zunächst im Außenraum durch Verdunstungskühlung über Substrat- sowie Blattflächen des Systems in Kombination mit Verschattung. Niedrigere Temperaturen der Systemoberflächen reduzieren durch geringere langwellige Wärmeabstrahlung urbane Wärmeinseln. Auf Bauteilebene beeinflussen Begrünungen die thermischen Oberflächeneigenschaften der Fassade. Sie verändern sich über den Jahresverlauf aufgrund unterschiedlicher Vegetation sowie Pflanztiefe:

In einer simulativen Untersuchung zeigt sich ein hoher Einfluss des Grünsystems auf den sommerlichen Wärmeschutz. Das biodiversitätsfördernde, fassadenintegrierte System konnte bei dieser Untersuchung die simulierten ÜTGh um bis zu 72 Prozent bei einem Altbau beziehungsweise um neun Prozent bei einem Gebäude nach GEG-Standard reduzieren. Gleichzeitig steigern Begrünungssysteme die Pflanzen- und Artenvielfalt im urbanen Bereich und adressieren dadurch weitere gesellschaftliche Herausforderungen der Gegenwart [5] 10]. ■

Danksagung

Der Fachartikel stellt Ergebnisse aus mehreren (Förder-)Projekten vor. Wir bedanken uns bei der Universität Stuttgart (Una-Tera-Förderung), dem Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BioDiv-Fassade, Projektträger: Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung), dem Klima-Innovationsfonds der Landeshauptstadt Stuttgart und The Nature Conservancy Europe (Die wilde Klimawand, Efeu-Linie für naturbasierte Lösungen) und dem Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung (Broschüre „Klimaangepasste Gebäude und Liegenschaften“).

Literatur und Quellen:

[1] DIN-Normenausschuss Bauwesen (NABau), DIN-Normenausschuss Heiz- und Raumlufttechnik sowie deren Sicherheit (Hg.): DIN V 18599-10: Energetische Bewertung von Gebäuden – Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für ­Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung. Beuth Verlag GmbH, Berlin (2018).

[2] DIN-Normenausschuss Grundlagen des Umweltschutzes (Hg.): DIN EN ISO 14091: Anpassung an den Klimawandel – Vulnerabilität, Auswirkungen und Risikobewertung. Beuth Verlag GmbH, Berlin (2021).

[3] Fahrion, M.-S., et al.: KLIBAU – Weiterentwicklung und Konkretisierung des Klimaangepassten Bauens - Handlungsempfehlungen für Planer und Architekten, Bonn (2020).

[4] Leistner, P., et al.: Klimaangepasste Gebäude und Liegenschaften – Empfehlungen für Planende, Architektinnen und Architekten sowie Eigentümerinnen und Eigen­tümer. Bundesinstitut für Bau- Stadt- und Raumforschung (BBSR) im Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR), Bonn (2022).

[5] Leistner, P., et al.: Leitfaden für biodiversitätsfördernde Fassadenbegrünung – Wilde Klimawände für Stuttgart. https://www.iabp.uni-stuttgart.de/biodiv, zuletzt geprüft am 15.01.2025.

[6] Maas, A.; Kempkes, Christoph; Schlitzberger, Stephan: Sommerlicher Wärmeschutz – Neufassung der DIN 4108-2. Bauphysik 35, H. 3 (2013), S. 155–161.

[7] Meteotest AG (Hg.): Meteonorm 8 - Handbook part II: Theory (Version 8.1), Bern (2021).

[8] Normenausschuss Bauwesen (NABau) im DIN (Hg.): DIN 4108-2: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 2: Mindestanforderungen an den Wärmeschutz. Beuth Verlag GmbH, Berlin (2013).

[9] Normenausschuss Bauwesen (NABau) im DIN (Hg.): Entwurf DIN 4108-2: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden (Enwurf) – Teil 2: Mindestanforderungen an den Wärmeschutz. Beuth Verlag GmbH, Berlin (2024).

[10] Röseler, H., et al.: Umweltgerechtes Bauen für Mensch, Flora und Fauna am Beispiel neuer Grünfassadensysteme: Bauphysik Kalender 2024. John Wiley & Sons, Ltd (2024), S. 1–35.

[11] Stocker, T., et al. (Hg.): Climate change 2013 – The physical science basis ; summary for policymakers, a report of Working Group I of the IPCC, technical summary, a report accepted by Working Group I of the IPCC but not approved in detail and frequently asked questions ; part of the Working Group I contribution to the fifth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Intergovernmental Panel on Climate Change, New York (2013).

[12] Fraunhofer-Institut für Bauphysik: WUFI-Plus – Wärme, Energie und Feuchte Gebäudesimulation. 3.5.0.1. Fraunhofer-Institut für Bauphysik (2024).

[13] Fraunhofer-Institut für Bauphysik: WUFI-Pro – Berechnung des gekoppelten Wärme- und Feuchtetransports in eindimensionalen mehrschichtigen Bauteilen. 6.7. Fraunhofer-Institut für Bauphysik (2024).

Bild: Fraunhofer IBP Stuttgart

Bild: Fraunhofer IBP Stuttgart

Bild: Fraunhofer IBP Stuttgart

Bild: Fraunhofer IBP Stuttgart

Bild: Fraunhofer IBP Stuttgart

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Kurz und knackig

Der Klimawandel erfordert ein Umdenken bei der Konzeption von Gebäuden und Liegenschaften – auch in Deutschland steigen Jahresmitteltemperaturen an, extreme Starkregen- und Hochwasserereignisse nehmen zu. Insbesondere die Häufung an sommerlichen Hitzeperioden macht den Städten, aber auch den einzelnen Gebäuden zu schaffen. Der Artikel fasst die wichtigsten Empfehlungen für Planer aus der Forschungsarbeit „Klimaangepasste Gebäude und Liegenschaften“ zusammen. Im Fokus stehen die drei Parameter Außenraum, Gebäude und Bauteil. Aber auch „grüne Strukturen“ im Freien, wie zum Beispiel Grünfassaden oder Bäume, tragen maßgeblich dazu bei, die Klimaresilienz unserer Gebäude und Quartiere zu stärken.

Dr.-Ing. Pia Krause

studierte Architektur und nachhaltiges und energieeffizientes Bauen an der Universität Stuttgart und der TU München, 2016 bis 2023 wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Akustik und Bauphysik der Universität Stuttgart. Seit 2023 wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer-Institut für Bauphysik. Forscht unter anderem zum Thema Grüne Strukturen und führt Weiterbildungen durch.

Bild: Fraunhofer IBP Stuttgart

Prof. Dr.-Ing. Philip Leistner

studierte Informationstechnik an der TU Dresden, 1990 bis 1994 wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Berlin. 1995 bis 2015 diverse Gruppen- und Abteilungsleiterfunktionen am Fraunhofer-Institut für Bauphysik, seit 2011 Professur an der Universität Stuttgart sowie seit 2017 Leiter des Instituts für Akustik und Bauphysik, seit 2016 Leiter des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik.

Bild: Fraunhofer IBP Stuttgart

Dr.-Ing. Holger Röseler

studierte Architektur an den Universität Porto, seit 2001 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Akustik und Bauphysik, seit 2007 Studiengangmanager des weiterbildenden Studiengangs Master Online Bauphysik (und Umweltgerechtes Bauen), 2015 bis 2021 Lehrbeauftragter für „Spezielle Fragen des Wärme- und Feuchteschutzes“ an der Hochschule Rottenburg. Forscht unter anderem zum Thema Klimaanpassung und führt Weiterbildungen durch.

Bild: Fraunhofer IBP Stuttgart

GEB Dossier

Grundlegende Informationen zum -Thema -finden Sie auch in -unserem Dossier Sommerlicher Wärmeschutz mit -Beiträgen und News aus dem GEB:

www.geb-info.de/-sommerlicher-waermeschutz