Effiziente Tageslichtnutzung

Ein wichtiger Baustein für zukunftsfähige Gebäudehüllen

Gesetzliche Grundlagen – Anforderungen an die Gebäudehülle und Bauteile

Nach wie vor entfallen 40 % des Gesamtenergieverbrauchs in der EU auf den Gebäudesektor [1]. Die Bundesregierung versucht durch Richtlinien und Gesetze gegenzusteuern. So sind in den letzten Jahren die Anforderungen an die energetische Qualität von Gebäuden enorm gestiegen. Die Novellierung der EnEV tritt am 1. Mai 2014 in Kraft und das angepasste EnEG (Energieeinsparungsgesetz) sieht als Grundpflicht vor, dass sämtliche Neubauten ab dem Jahr 2021 als Niedrigst­energiegebäude erstellt werden müssen, ­Behördengebäude bereits ab 2019 [2].

Damit werden die Ansprüche an sämtliche Bauteile – somit auch an die Fassade – komplexer. Die frühzeitige gemeinsame Entwicklung eines Gesamtenergiekonzepts ist deshalb von zentraler Bedeutung. Neben den baulichen Maßnahmen, die geeignet sind den Energiebedarf zu minimieren, müssen sämtliche Bauteile nicht nur auf ihre konstruk­tiven, funktionalen und gestalterischen Eigenschaften, sondern auch auf ihre energetische Wirkung überprüft und optimiert werden.

Durch die Verzahnung energetischer Aspekte mit dem architektonischen Entwurf steht das Bauwesen vor neuen Herausfor­derungen, insbesondere in der Lösung von Zielkonflikten, z. B. dem von Leichtbau versus Speichermasse oder Tageslichtnutzung versus sommerlichem Wärmeschutz.

Tageslichtsysteme

Großflächig lichtdurchlässige Fassadenteile spielen – insbesondere bei Bürogebäuden – eine wichtige Rolle sowohl für den Nutzerkomfort als auch für die Energiebilanz (Abb.1+2).

Zur Regulierung der Transmission von Licht, Wärme und solarer Einstrahlung werden intelligente Tageslichtsysteme benötigt. Sie können den thermischen und visuellen Komfort sicherstellen und zugleich den Energieverbrauch der Gebäudetechnik minimieren (Heizung, Kühlung, Kunstlicht). Damit erfüllen Tageslichtsys­teme wichtige Schutz- und Versorgungsfunk­tionen. Der Sonnenschutz schließt vor allem zwei Aspekte ein: Er ver­ringert die Kühllast und schützt fensternahe ­Arbeitsplätze vor direkter Einstrahlung (Abb.3).

Planung

Bei der Planung von Tageslichtsystemen hängt die Ausführung von einer Vielzahl von Parametern ab. Dazu zählen die Orientierung der Fassade, die Bauart des Tageslichtsystems, des­sen Einbaulage und Einbauhöhe, die Raumnutzung und die Gebäudetechnik (Abb.4).

Der erste Planungsschritt zielt auf Schutzfunktionen, also auf den sommerlichen Sonnen- und winterlichen Wärmeschutz. Gebäude mit hohem Glasanteil, die stark überhitzen, sind kaum nutzbar und müssen im Extremfall kostspielig saniert werden. Tageslichtsysteme müssen deshalb je nach vorgesehener Nutzung klare Obergrenzen für den Gesamtenergiedurchlass (g-Wert), aber auch für die Lichttransmission und die Leuchtdichten einhalten. Neben dem Sonnenschutz hat der winterliche Wärmeschutz höchste Priorität; zur Energieeinsparung muss eine Obergrenze für den U-Wert der Gebäudehülle eingehalten werden.

Der zweite Planungsschritt berücksichtigt die Versorgungsfunktionen. Diese sind von der Raumnutzung, der Einbaulage des Tageslichtsystems (etwa als Oberlicht-, Sicht- oder Brüstungsband usw.) abhängig. Hohen Stellenwert hat die Versorgung der Innenräume mit Tageslicht; das energetische Einsparpotential für Kunstlicht liegt meist bei 30 –70 %.

Bei der Verwirklichung dieser teilweise ­widersprüchlichen Anforderungen kommt es häufig zu Zielkonflikten. Z. B. kann ein aktives Tageslichtsystem mit beweglichen ­Lamellen im geschlossenen Zustand einen geringen g- Wert von < 10 % aufweisen. Die Frage ist, ob die ­erforderliche Menge an Tageslicht (Lichttransmission) dann noch vorhanden ist. Die planerische Herausforderung besteht also darin, den notwendigen Schutz mit der bestmöglichen Versorgung des Gebäudes zu kombinieren. Dies gilt umso mehr, als sich die Sonneneinstrahlung im Laufe des Tages und im Wechsel der Jahreszeiten fortlaufend ändert.

Durch eine Reihe von Techniken lassen sich die Zielkonflikte zwischen Schutz und Versorgung entschärfen. Zentrale Bedeutung kommt der selektiven Nutzung der Sonneneinstrahlung zu. Dies kann auf dreierlei Weisen geschehen. Natürliches Tageslicht kann

– bezüglich der Wellenlänge des Sonnenlichts zerlegt werden (spektrale Selektivität),

– bezüglich der Richtung der Einstrahlung veränderbar sein (Winkelselektivität) oder

– unabhängig von der Einstrahlung variabel gesteuert werden (Lichtdiffusion).

Spektrale Selektivität: Durchlässigkeit nur für bestimmte Wellenlängen

Zum winterlichen Wärmeschutz werden heute üblicherweise sogenannte low-E Beschichtungen eingesetzt, die für das gesamte Spektrum des Sonnenlichts durchlässig sind, aber langwellige Wärmestrahlung, wie sie im Raum-inneren auftritt, zurückhalten. So bleibt die Wärme länger im Gebäude.

Soll die solare Einstrahlung reduziert werden, kommen Sonnenschutzbeschichtungen zum Einsatz. Diese spektral selektiv trans­mittierenden Beschichtungen erhöhen die Lichtausbeute und senken die Kühllast, indem die für das menschliche Auge unsichtbaren Anteile der solaren Strahlung blockiert werden. Der Solarenergieeintrag (g-Wert) ins Gebäude wird reduziert, ohne die Menge an sichtbarem Licht zu verringern. Bei dem Verhältnis von Lichttransmission und g-Wert spricht man von spektraler Selektivität (Abb.5).

Aktueller Stand der Technik sind hier metallische Beschichtungen, die im Magnetron-Hochvakuum-Verfahren auf die Glasoberfläche aufgebracht werden. Sonnenschutzgläser erreichen Lichttransmissionswerte und ­g-Werte von z. B. 70/35 bis 27/16.

Richtungsselektivität: Sonnenlicht umlenken

Eine weitere Technik besteht darin, die Transmission von der Richtung der einfallenden Sonnenstrahlen abhängig zu machen. In diesem Fall spricht man von Winkelselektivität. Hierzu werden meist reflektierende Lamellen verwendet, die bei niedrigem Sonnenstand (im Winter morgens und abends) eine höhere Transmission erlauben als bei hohen Sonnenständen (im Sommer mittags) (Abb.6).

Hier kann man zwei unterschiedliche Funktionen unterscheiden. Retro-reflektive Systeme lenken das einfallende Sonnenlicht zurück (= retro) nach Außen, intro-reflektierende Systeme lenken einen Teil des Tageslichts nach innen, z. B. an die Raumdecke. In beiden Fällen verhindern diese Systeme, dass bei hoch stehender Sonne zu viel Tageslicht ungenutzt auf dem fensternahem Raumboden landet, wo die solare Energie  lediglich die Kühllast des Gebäudes erhöht. Flach einstrahlendes Sonnenlicht und diffus gestreutes Himmelslicht können dagegen in den Raum gelangen  - je nach Auslegung saisonal oder ganzjährig.

Bei richtungsselektiven Tageslichtsystemen sind g-Wert und Lichttransmission winkelabhängig und verändern sich fortlaufend mit dem Sonnenstand. Deshalb müssen die Systeme auf die Ausrichtung der Fassade bzw. die Neigung des Daches und auf die geografische Breite des Gebäudestandorts abgestimmt sein. So lassen sich Ausblend- bzw. Durchlassbereiche für bestimmte Einfallswinkel des Sonnenlichts genau festlegen. Bei optimal ausgelegten, winkelselektiven Sys­temen umfasst der Ausblendbereich idealer­weise die hohen Sonnenstände (Abb.7).

Urtypus statischer Komponenten sind Überhänge, die die darunter liegende Fassade bei hohen Sonnenständen abschirmen. Da diese einen erheblichen Eingriff in die Architektur darstellen, besteht große Nachfrage nach fensterintegrierten Systemen, die wie ein Überhang funktionieren. Winkelselektive Systeme, wie z. B. isolierglasintegrierte Lamellen, ermöglichen saisonal optimierte solare Wärmegewinne zur Gebäudeheizung in den Wintermonaten. Darüber hinaus können sie den Tageslichteintrag verbessern, indem das zur Verfügung stehende Sonnenlicht ins Rauminnere umgelenkt wird (Abb.8).

Gebäudehüllen der Zukunft

Die optimale Nutzung des Tageslichts spielt eine große Rolle, wenn es um angenehme Bedingungen im Innenraum geht. Maximaler visueller und thermischer Komfort sowie Wohl­­befinden und damit auch Produktivität hängen von guten Tageslichtlösungen ab. Der Lichteintrag und die Nutzung solarer Energie muss möglichst bedarfsgerecht geregelt werden.

Die Fassade der Zukunft wird sich deshalb weg von einer statischen Konstruktion und hin zu einer dynamischen Klimahülle wandeln, bei der nicht nur der optimierte Energieverbrauch, sondern der Mensch im Mittelpunkt steht.