Wärmefalle
Fassadenheizung
im Sommer

Zusammenfassung

In einem Bürogebäude ohne außen liegenden Sonnenschutz hat sich die Luft in den Räumen infolge solarer Einstrahlung vielfach stark aufgeheizt. Die deutliche Erwärmung der Raumluft ist auf das Prinzip der „Wärmefalle“ zurückzuführen: Die Solarstrahlung gelangt durch die Fenster in den Raum und trifft dort unter anderem auf die Fassadenprofile; diese absorbieren einen Anteil der Solarstrah­lung und erwärmen sich. Für die daraufhin wieder abgegebene Wärmestrahlung sind die Fenster undurchlässig; die Energie bleibt im Raum und die Fassadenprofile wirken als (ungewollte) Heizfläche.

Zur Sicherstellung einer zuträglichen Raum­lufttemperatur sind Maßnahmen zum sommerlichen Wärmeschutz erforderlich. Hier stellt eine außen liegende Sonnenschutzmaßnahme die beste Lösung dar, die auch nachgerüstet werden kann. Es sind in diesem Zusammenhang die Anforderungen mehrerer technischer Regelungen hinsichtlich des baulichen Wärmeschutzes, der Minimierung einer Kühlleistung, des Arbeitsschutzes sowie einer ausreichenden Beleuchtung und Begrenzung der Blendung zu berücksichtigen.

Sachverhalt

In einem Bürogebäude (Bild 1) mit einer groß­flächig verglasten Fassade wurden seitens der Nutzer zu hohe Raumtemperaturen während der warmen Jahreszeit gerügt. Eine durch die Gewerbeaufsicht vorgenommene Messung er­gab, dass die Temperaturen in mehreren Räumen des Gebäudes zu hoch im Sinne des Arbeitsschutzgesetzes waren. Daher wurden Maßnahmen angemahnt, um ei­ne zuträgliche Raumtemperatur zu erreichen.


Feststellungen

Das begutachtete Bürogebäude weist eine nahezu durchgängige Glasfassade auf, die durch eine Pfosten-Riegel-Konstruktion gebildet wird. In den Büroräumen sind sowohl Fenster mit Dreh-Kipp-Flügeln wie auch fest eingebaute Verglasungen vorhanden. Ein außen liegender Sonnenschutz existiert nicht, in einigen Büroräumen wurden durch die Nutzer Lamellen-Vorhänge oder Stores montiert.

Die Abmessungen der Fassadenprofile wurden vor Ort erfasst und mit vorliegenden Planungsunterlagen verglichen. Die Pfosten weisen eine Breite von 50 mm und eine Tiefe von 110 mm auf. Die Riegel sind deutlich kleiner ausgebildet. Bild 2 zeigt einen Horizontalschnitt durch einen Pfosten mit angrenzenden Festverglasungen. Auf den Bildern 3 und 4 sind die raumseitige Ansicht eines Pfostens und eines Riegels wiedergegeben. Die Verglasung weist einen Gesamtenergiedurchlassgrad von 0,33 auf.

Das Gebäude wird nicht anlagentechnisch gekühlt. Es sind auch keine thermoaktiven Decken mit Betonkernaktivierung vorhanden. Die Lüftung der Büroräume erfolgt ausschließlich über die Fenster.

Zur Erfassung der Temperatur der Raumluft sowie der Oberflächentemperatur der Fassadenprofile wurde in mehreren Büroräumen eine Langzeitmessung mittels Datenloggern vorgenommen. Diese wurden jeweils in einem Raumbereich deponiert, der im Untersuchungszeitraum keiner direkten Solarstrahlung ausgesetzt war. Die Temperatur der Raumluft wurde in einem vorab festgelegten Zeitintervall (10 min) jeweils durch einen internen Sensor des Datenloggers gemessen und mit der zugehörigen Zeitangabe gespeichert. Zur Messung der Oberflächentemperatur im Bereich des Fassadenprofils wurden externe Sensoren eingesetzt. Diese wurden ebenfalls so installiert, dass sie nicht direkt durch die Sonne bestrahlt wurden (Bild 5).

Die Messung wurde über einen Zeitraum von etwa einem Monat durchgeführt. Als Referenz wurde auch ein während des gesamten Betrachtungszeitraums nicht genutzter Büroraum untersucht. In dem Diagramm in Bild 6 (siehe S. 62) sind exemplarisch die gemessenen Temperaturen des nicht genutzten Büroraums im Erdgeschoss und eines genutzten Büroraums im Obergeschoss dargestellt. Die Darstellung umfasst den Zeitraum einer mehrtägigen Schönwetterperiode. Hinsichtlich der Solarstrahlung ist anzumerken, dass der Büro­raum im Erdgeschoss in den Morgenstunden sowie den Nachmittagsstunden durch angrenzende Gebäude beschattet wurde, während der Raum im Obergeschoss schon bzw. noch direkt besonnt war. In dem Raum im Obergeschoss befindet sich ein innen liegender Sonnenschutz.

Die gemessenen Oberflächentemperaturen der Fassadenprofile überschreiten in beiden Räumen während der Tagesstunden die gemessenen Lufttemperaturen deutlich. In dem ungenutzten Raum im Erdgeschoss wurde beim Fassadenprofil eine maximale Oberflächentemperatur von 34° C gemessen; im genutzten Raum im Obergeschoss betrug die maximale Oberflächentemperatur (im nicht direkt bestrahlten Bereich!) des Fassadenprofils 37° C. Die maximalen Temperaturen der Raumluft lagen in dem in Bild 7 dargestellten Zeitraum bei 29° C bzw. 31° C. An sämtlichen dargestellten Tagen überschritt die Temperatur der Raumluft in beiden Räumen die maximale Temperatur der Außenluft um bis zu 5 K.

Bewertung

Die Erwärmung der Raumluft auf Tempera­tu­ren deutlich oberhalb der maximalen Tem-peratur der Außenluft ist auf die solare Einstrahlung zurückzuführen. Das Prinzip dieser „Wärmefalle“ erklärt sich wie folgt (siehe Bild 7, S. 62):

­– Die kurzwellige Solarstrahlung trifft auf die Fenster der Räume. Dort wird sie von der Verglasung in unterschiedlichen Anteilen transmittiert (durchgelassen), reflektiert und absorbiert. Die Größenordnung der einzelnen Anteile ist abhängig vom Aufbau der Isolierverglasung und von den verwendeten Materialien. Der transmittierte Anteil Wärmeenergie zusammen mit der sekundären Wärmeabgabe der absorbierten Strahlung nach innen (als Wärmestrahlung) wird durch den Gesamtenergiedurchlassgrad gekennzeichnet. Bei der vorliegenden Verglasung mit einem Gesamtenergiedurchlassgrad von 0,33 gelangen also 33 % der Sonnenenergie als transmittierte Strahlung und sekundäre Wärmeabgabe in den Raum.
– Die transmittierte Solarstrahlung trifft im Raum z.B. auf die unmittelbar hinter der Verglasung befindlichen Pfosten und Riegel der Fassade und wird dort in unterschiedlichen Anteilen reflektiert und absorbiert. Der absorbierte Strahlungsanteil führt zu einer Erwärmung dieser Bauteile. Entsprechend ihrer Temperatur geben die Fassadenprofile Energie in Form lang­welliger Wärmestrahlung ab.
– Die von den Bauteilflächen abgegebene langwellige Wärmestrahlung kann die Verglasung im Gegensatz zur kurzwelligen Solarstrahlung nicht durchdringen, da Fensterglas weitgehend nur im sichtbaren, kurzwelligen Strahlungsbereich durchlässig ist. Die langwellige Wärmestrahlung der Bauteile wird innen an der Verglasung überwiegend reflektiert und bleibt somit als Energie im Raum erhalten. Bei längerer Sonnenscheindauer erwärmen sich so zunächst die Bauteile im Raum und schließ­lich auch die Raumluft: Die Wärmeenergie ist „im Raum gefangen“.

Im vorliegenden Fall erwärmen sich ausweislich der Messergebnisse insbesondere die Fassadenprofile. Aufgrund der während der Tagesstunden deutlich oberhalb der Temperatur der Raumluft liegenden Oberflächentemperatur wirken sie letztlich wie eine Heizfläche. Diese „Fassadenheizung“ kann durch die Nutzer nicht reguliert werden, was wesentlich zu der gemessenen Erhöhung der Raumlufttemperaturen auf Werte oberhalb der maximalen Temperatur der Außenluft führt. Der in dem genutzten Büroraum vorhandene innen liegende Sonnenschutz ist weitgehend wirkungslos. Nachfolgend wird daher überprüft, inwieweit hier weitere Maßnahmen erforderlich sind.

Durch Maßnahmen des sommerlichen Wärmeschutzes soll eine übermäßige Erwärmung der Raumluft infolge solarer Einstrahlung verhindert werden. Hierdurch sollen im Wesentlichen zwei Ziele erreicht werden:

1 Sicherstellung der thermischen Behaglichkeit für eine möglichst lange Nutzungsdauer eines Raumes. Hierfür ist es unter anderem erforderlich, die Temperatur der Raumluft auf einen Maximalwert zu begrenzen.
2 Begrenzung der erforderlichen Kühlleistung auf ein Minimum durch geeignete bauliche Maßnahmen (soweit raumlufttechnische Anlagen vorhanden sind)

Die Anforderungen an Gebäude hinsichtlich des sommerlichen Wärmeschutzes orientieren sich im Wesentlichen an den vorgenannten Zielen. Hierbei sind zu beachten:

– die Forderungen gemäß den Regeln der ­Technik,
– die Forderungen gemäß der Energie­einsparverordnung,
– die Forderungen gemäß den Regeln zum ­Arbeitsschutz.

Die Regeln der Technik sind z.B. in Form von Mindestanforderungen an den baulichen, sommerlichen Wärmeschutz in der DIN 4108-2 [1] zusammengefasst. Demnach soll der sommerliche Wärmeschutz schon in der Planungsphase eines Gebäudes mit einbezogen werden, damit „bereits durch bauliche Maßnahmen weitgehend verhindert wird, dass unzumutbar hohe Innentemperaturen entstehen“. Bei Bürogebäuden sind in diesem Zusammenhang die teils hohen internen Wärmelasten zu berücksichtigen. In [2] werden zusätzliche Korrekturwerte für den Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes gemäß DIN 4108-2 [1] vorgeschlagen.

Den Regeln der Technik entsprechend kann auch eine detaillierte Berechnung hinsichtlich des sommerlichen Wärmeschutzes vorgenommen werden. Bei Gebäuden ohne anlagentechnische Kühlung – wie im vorliegenden Fall – erfolgt diese zweckmäßigerweise gemäß [3] bzw. [4]; bei klimatisierten Gebäuden kann die Berechnung gemäß [5] bzw. [6] vorgenommen werden.

Die Energieeinsparverordnung [7] fordert hinsichtlich des sommerlichen Wärmeschutzes die Einhaltung der höchstzulässigen Sonneneintragskennwerte entsprechend des Nachweisverfahrens der DIN 4108-2 [1]. Alter­nativ darf ein „ingenieurmäßiges Verfahren“ angewendet werden; hierunter fallen z.B. die bereits erwähnten Berechnungsmöglichkei­ten gemäß [3], [4], [5] und [6].

Die Belange des Arbeitsschutzes sind in der Arbeitsstättenverordnung [8] geregelt. Demnach „muss während der Arbeitszeit unter Berücksichtigung der Arbeitsverfahren, der körperlichen Beanspruchung der Beschäftigten und des spezifischen Nutzungszwecks des Raumes eine gesundheitlich zuträgliche Raumtemperatur bestehen“. Was unter einer gesundheitlich zuträglichen Raumtemperatur zu verstehen ist, wird in [9] konkretisiert: „Fenster, Oberlichter und Glaswände, die der Tageslichtversorgung dienen, sind so zu gestalten, dass eine […] störende Blendung und übermäßige Erwärmung vermieden werden. Führt die Sonneneinstrahlung durch Fenster, Oberlichter und Glaswände zu einer Erhöhung der Raumtemperatur über + 26° C, so sind diese Bauteile mit geeigneten Sonnenschutzsystemen auszurüsten“.

Dies bedeutet – entgegen der früheren Regelungen – nicht, dass eine Temperatur der Raumluft über 26° C generell unzulässig im Sinne des Arbeitsschutzes wäre, im Gegenteil: unter der Voraussetzung, dass geeignete Sonnenschutzmaßnahmen vorhanden sind, werden höhere Temperaturen der Raumluft bei einer Temperatur der Außenluft über 26° C ausdrücklich zugelassen. Es sollen – bzw. je nach Raumtemperatur – müssen lediglich Maßnahmen ergriffen werden, die die Beanspruchung der Beschäftigten reduzieren. Erst die Überschreitung einer Raumlufttemperatur von 35° C führt gemäß [9] ohne Durchführung besonderer Maßnahmen (die für einen Bürobetrieb wohl kaum praktikabel sind) zu einem Verlust der Eignung als Arbeits­raum. Die starren Regelungen der früheren Arbeitsstättenrichtlinie sind insoweit in einer aus bauphysikalischer Sicht zweckmäßigen Weise modifiziert worden.

Im vorliegenden Fall sind aufgrund des Fehlens eines geeigneten Sonnenschutzes die Belange des Arbeitsschutzes nicht erfüllt. Darüber hinaus werden die Anforderun­gen des Nachweises gemäß [1] nicht eingehalten. Es ist daher eine Nacharbeit erforderlich.

Instandsetzung

Zur Begrenzung des Sonneneintrags muss nachträglich eine geeignete Sonnenschutzvorrichtung installiert werden. Hierfür kommt aufgrund des erforderlichen Wirkungsgrades nur ein außen liegender Sonnenschutz in Frage; auf die weitgehende Unwirksamkeit des in einem untersuchten Büroraum vorhandenen innen liegenden Sonnenschutzes wurde bereits hingewiesen. Ein außen liegender Sonnenschutz kann prinzipiell hergestellt werden mittels

– Großlamellen
– Raffstores (Jalousien)
– Gewebestores
– Schiebeläden

Die hier vorliegende Fassade lässt die nachträgliche Montage von seilgeführten Raffstores zu (Bild 8). Diese Lösung ist geeignet, da sie die erforderliche Begrenzung des Sonneneintrags zulässt und nutzerabhängig eine ausreichende Belichtung der Räume ermöglicht. Dadurch wird auch eine direkte Bestrahlung der Fassadenprofile im Raum und somit der Effekt der „Fassadenheizung” vermieden.

Die Entscheidung für eine Sonnenschutzmaßnahme wird jedoch nicht nur durch die Belange des sommerlichen Wärmeschutzes, der Energieeinsparung und des Arbeitsschutzes beeinflusst. Darüber hinaus ist auf eine ausreichende Beleuchtung durch Tageslicht [10] und eine Begrenzung der Blendung zu achten; dies gilt insbesondere für Bildschirmarbeitsplätze.

Für Bauvorhaben des Bundes gelten dar­über hinaus weitere Anforderungen, die eine thermische Behaglichkeit sicherstellen sollen. Entsprechend dem Klimaerlass [11] des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung muss die Raumtemperatur z. B. den Regelungen gemäß [12] genügen.

Aufgrund der vielfältigen Anforderungen stellt der sommerliche Wärmeschutz ein komplexes Thema dar. Der erhebliche Einfluss eines außen liegenden Sonnenschutzes auf das Erscheinungsbild des Gebäudes erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen Architekt und Fachplaner.

Literatur
[1] DIN 4108, Teil 2: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Mindestanforderungen an den Wärmeschutz, Ausgabe 07/2003
[2] Dietrich, U., Roetzel, A.: Vorschlag zur Ergänzung der Bewertung des sommerlichen Wärmeschutzes nach DIN 4108-2 bei Verwaltungsgebäuden: Korrekturwerte für den zulässigen Höchstwert des Sonneneintragskennwertes Szul, Bauphysik 6/2005, S. 359-362, Verlag Ernst & Sohn, 2005
[3] DIN EN ISO 13791: Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Sommerliche Raumtemperaturen bei Gebäuden ohne Anlagentechnik – Allgemeine Kriterien und Validierungsverfahren, Ausgabe 02/2005
[4] DIN EN ISO 13792: Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Berechnung von sommerlichen Raumtemperaturen bei Gebäuden ohne Anlagentechnik – Vereinf. Berechnungsverfahren, Ausgabe 06/2005
[5] DIN EN 15243: Lüftung von Gebäuden – Berechnung der Raumtemperaturen, der Last und Energie von Gebäuden mit Klimaanlagen, Ausgabe 10/2007
[6] VDI 2078: Berechnung der Kühllast klimatisierter Räume (VDI-Kühllastregeln), Ausgabe 07/1996
[7] Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden (Energieeinsparverordnung – EnEV) vom 24.07 2007, Änderung vom 29.04.2009, BGBl I S. 954
[8] Verordnung über Arbeitsstätten (Arbeitsstättenverordnung – ArbStättV) vom 12.08.2004, letzte Änderung vom 19.07.2010, BGBl I S. 960
[9] Technische Regel für Arbeitsstätten ASR A3.5 „Raumtemperatur“, Ausgabe 06/2010, Gemeinsames Ministerialblatt 2010 Nr. 35, S. 751
[10] DIN 5034, Teil 1: Tageslicht in Innenräumen – Allgemeine Anforderungen, Ausgabe 10/1999
[11] Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung: Richtlinie zu baulichen und planerischen Vorgaben für Baumaßnahmen des Bundes zur Gewährleistung der thermischen Behaglichkeit im Sommer, Klimaerlass B12-8132.1/0, 05.12.2008
[12] DIN EN 15251: Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik, Ausgabe 08/2007
[13] Leitdetails zum Fassadensystem WICTEC 50 der Marke Wicona, Hydro Building Systems GmbH, ­
www.wicona.de
Schon gewusst?

Die Wellenlänge der von einer Oberfläche abgegebenen Strahlung hängt im Wesentlichen von deren Temperatur ab. Die Oberfläche der Sonne weist eine Temperatur von etwa 5 500° C auf; das Maximum der Strahlungsintensität liegt im visuellen Bereich der Farbe „grün“, entsprechend einer Wellenlänge von etwa 0,5 µm. Das Maximum der von einer Bauteiloberfläche mit einer Temperatur von 35° C abgegebenen Strahlung liegt bei einer Wellenlänge von ungefähr 10 µm. Daher wird die Solarstrahlung häufig als kurzwellige Strahlung und die Wärmestrahlung von Bauteilen häufig als langwellige Strahlung bezeichnet.

Übliches Fensterglas ist weitgehend nur im sichtbaren, kurzwelligen Strahlungsbereich durchlässig. Für Strahlungsanteile mit kleineren Wellenlängen – beispielsweise die solare UV-Strahlung – sowie Strahlungsanteile mit größeren Wellenlängen – dazu gehört die Wärmestrahlung – ist Fensterglas nahezu undurchlässig. Während man also mit einer Foto­kamera eine Aufnahme auch durch eine Fensterscheibe machen kann, ist dies bei einer Thermografiekamera nicht möglich; die Aufnahme würde die vom Fensterglas emittierte Wärmestrahlung und damit letztlich dessen Oberflächentemperatur wiedergeben.

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