Energieeinsparpotential der verschiedenen

Sonnenschutztechnik
Energieeinsparpotential der
verschiedenen Sonnenschutzsysteme
Starrer und beweglicher Sonnenschutz
Zu stark tendenziösen Aussagen bezüglich der möglichen Energieeinsparung von Sonnenschutzsystemen gelangen oftmals von Herstellern
verfasste Publikationen, obwohl ihre Betrachtungen eingeschränkt
und unvollständig sind. Der vorliegende Beitrag eines Herstellerunabhängigen Fachberaters dient der Aufklärung im Hinblick auf das
wahre Energieeinsparpotential von Sonnenschutzsystemen und bietet
daher einen gesamtheitlichen Überblick über die Auswirkungen eines
Sonnenschutzsystems auf den Energiebedarf von Bürogebäuden.
Die verglasten Fassaden eines Gebäudes müssen auch in den gemäßigten
Breiten der Bundesrepublik Deutsch-
land eine gute Sonnenschutzwirkung
aufweisen, um während der heißen,
sonnigen Sommertage – die nach Aus-
sage der Klimaforscher auch in Deutschland immer häufiger werden [1] – den
solaren Wärmeeintrag zu begrenzen.
Hierfür können prinzipiell verschiedene
Sonnenschutzsysteme eingesetzt werden, die sich in ihrer Wirkung jedoch
erheblich voneinander unterscheiden.
Starrer Sonnenschutz
Der starre Sonnenschutz ist gekennzeichnet durch seine Unveränderlichkeit.
Diese bietet oftmals Vorteile hinsichtlich
Schadensanfälligkeit, Investitionskosten, Gestaltung, etc. Ein fixer Sonnen-
Abbildung 4: Außenliegender Sonnenschutz in
Form von ausstellbaren Markisen (links) oder
Raffstoren mit horizontalen Lamellen (oben).
Fotos: Warema
sicht+sonnenschutz 4/2009
Sonnenschutztechnik
schutz kann unterschiedlich ausgeführt
werden:
Opake Vorbauten, z. B. Dachauskragung oder Säulen
Dieser Sonnenschutz-Typus wird häufig
auch als besonderes, gestalterisches
Element im Museumsbau eingesetzt,
wie der Abbildung 1 zu entnehmen ist.
Sonnenschutzverglasung
Bei höheren Gebäuden, die dem Wind
besonders ausgesetzt sind, wird der starre
Sonnenschutz häufig mit Hilfe einer
Sonnenschutzverglasung realisiert. Diese
Form des Sonnenschutzes ermöglicht
eine glatte, äußere Oberfläche, welche
häufig aus architektonischen Gründen
bevorzugt wird (vgl. Abbildung 2).
Sonnenschutzfolie
Im Gegensatz zu den bisher betrachteten
starren Sonnenschutzsystemen bietet die
Sonnenschutzfolie den Vorteil, dass sie
nachträglich auf die Verglasung aufgebracht werden kann und damit auch
bei Bestandsbauten nachgerüstet werden kann (Abbildung 3).
Beweglicher Sonnenschutz
Der bewegliche Sonnenschutz unterscheidet sich vom starren Sonnenschutz dadurch, dass er in Form beweglicher Sonnenschutzelemente geschlossen und wieder geöffnet werden kann.
Diese Beweglichkeit ermöglicht es, dass
sich die Fassade den veränderlichen
Außenbedingungen anpassen kann und
der Sonnenschutz nur geschlossen wird,
wenn er wirklich gebraucht wird. Bei
Sonnenschutzsystemen mit beweglichen Elementen wird meist die Lage
des Sonnenschutzes und sein Material
zur Klassifizierung herangezogen.
Abbildung 1: Starrer Sonnenschutz in Form
von Dachauskragung und Säulen.
Foto: Stefan Braunfels Architekten
terisiert und er wird häufig in Form
eines Gewebes oder eines Lamellenbehangs ausgeführt (siehe Abbildung 4).
Außen liegender Sonnenschutz
Der Außensonnenschutz ist durch seine
Lage außen vor der Verglasung charak-
Sonnenschutz im Fassadenoder Scheibenzwischenraum
Beim integrierten Sonnenschutz wird
das Gewebe oder der Lamellenbehang
Abbildung 2: Starrer Sonnenschutz als Sonnenschutzverglasung wird häufig bei hohen
Gebäuden angewendet, die einer starken Windbelastung ausgesetzt sind und eine glatte
Oberfläche gewünscht wird.
Fotos: Warema
Abbildung 3: Starrer Sonnenschutz als eine
auf die Verglasung aufgebrachte Sonnenschutzfolie ist auch bei Bestandsbauten
möglich.
sicht+sonnenschutz 4/2009
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Sonnenschutztechnik
Abbildung 5: Integrierter Sonnenschutz in
Form eines Lamellenbehangs im Fassadenzwischenraum …
Foto: Gerald Zugmann
… und in Form eines Lamellenbehangs oder Gewebes, das im Scheibenzwischenraum
platziert wird.
Abbildungen: Warema
in den Zwischenraum einer Verglasung
oder einer doppelschaligen Fassadenkonstruktion platziert (Abbildung 5).
erster Linie in seiner Sonnenschutzwirkung, durch welche die zur sommerlichen Kühlung erforderliche Kälteenergie reduziert werden kann.
Innenliegender Sonnenschutz
Auch der innenliegende Sonnenschutz
kann in Form eines Gewebes (Rollo)
oder eines Lamellenbehangs ausgeführt
werden, wobei die Lamellen horizontal
oder vertikal angeordnet sein können
(vgl. dazu Abbildung 6).
Energiebedarf zur Kühlung
im Sommer
Das Energieeinsparpotential eines
Sonnenschutzes besteht natürlich in
Abbildung 7: Definition des Gesamtenergiedurchlassgrades (g-Wert).
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Gesamtenergiedurchlassgrad
der Fassade
Als maßgeblicher technischer Kennwert
zur Beurteilung der Sonnenschutzwirkung
einer Fassade – also von der Kombination aus Verglasung und geschlossenem
Sonnenschutz (falls dieser vorhanden
ist) – dient der Gesamtenergiedurchlassgrad (g-Wert). Der g-Wert ist definiert
als derjenige Anteil der auf die Fassade
auftreffenden Globalstrahlung, der im
Raum in Form des solaren Wärmeeintrags freigesetzt wird. Dieser setzt sich
zusammen aus der Strahlungstransmission und der sekundären Wärmeabgabe
(vgl. dazu Abbildung 7). Hinsichtlich
des Energiebedarfs zur sommerlichen
Kühlung ist darauf zu achten, dass der
Gesamtenergiedurchlassgrad gtot der
Fassade – also der Verglasung und des
Sonnenschutzes – herangezogen wird.
Sonnenschutzwirkung im Vergleich
Um die Sonnenschutzwirkung – und
damit das Potential zur Einsparung von
Kühlenergie – der unterschiedlichen
Sonnenschutzsysteme vergleichen zu
können, wurden zunächst einige typische Fassadenausbildungen angesetzt
und im Anschluss deren Gesamtenergiedurchlassgrad berechnet. Jedes Sonnenschutzsystem ist mit einer Vergla-
sung kombiniert, wobei insbesondere
die Sonnenschutzverglasungen ein weites Spektrum bieten (vgl. dazu Abbildung 8).
Vor dem Hintergrund der großen
Bandbreite bei den Sonnenschutzverglasungen wurde sowohl eine Sonnenschutzverglasung (SSV) mit Schwerpunkt
Tageslicht wie auch eine SSV mit
Schwerpunkt Sonnenschutz untersucht.
Eine große Bandbreite wird auch von
den Folienherstellern angeboten, so
dass eine Verglasung mit aufgebrachter
Folie in erster Näherung wie eine SSV
betrachtet werden kann. Somit wurde
von folgenden typischen Fassadenausbildungen ausgegangen:
• Innenliegendes Sonnenschutzgewebe
(hellgrau) in Kombination mit einer
hellen Sonnenschutzverglasung der
Klasse 70/35
• Innenliegendes Sonnenschutzgewebe
in Kombination mit einer dunkleren
Sonnenschutzverglasung der Klasse
40/21
• Der integrierte Sonnenschutz als
horizontale Lamellen (beidseitig alufarben) im Scheibenzwischenraum
einer hellen Wärmeschutzverglasung
• Außen liegender Raffstore als horizontale Lamellen (beidseitig alufarben) in Kombination mit einer hellen
Wärmeschutzverglasung
Ein Vergleich der Sonnenschutzwirkung
bzw. des Gesamtenergiedurchlassgrades
der verschiedenen Sonnenschutzvarianten (ohne Anspruch auf Vollstänsicht+sonnenschutz 4/2009
Sonnenschutztechnik
Abbildung 6: Innen liegender Sonnenschutz
als Rollo ausgeführt...
… oder als horzontaler Lamellenbehang...
digkeit) ist in Abbildung 9 aufgetragen.
Hier ist zu entnehmen, dass mit einem
außen liegenden Raffstore nach wie vor
die beste Sonnenschutzwirkung zu erzielen ist. Der Grund hierfür ist relativ
simpel und spiegelt sich ebenfalls in
Abbildung 9: Bei ähnlicher Strahlungstransmission weisen die Sonnenschutzsysteme sehr große Unterschiede bei
der sekundären Wärmeabgabe auf. Es
ist in Fachkreisen seit langem bekannt,
dass der Sonnenschutz bei Besonnung
recht warm wird und seine Wärme dann
an seine direkte Umgebung abgibt. Dies
führt dazu, dass bei einem innenliegenden Sonnenschutz – unabhängig ob
als Gewebe oder Lamelle – die meiste
Wärme an den Raum abgegeben wird.
Dieser ungünstige Effekt kann nur
etwas abgemildert werden, wenn eine
sehr starke Sonnenschutzverglasung
eingesetzt oder eine stark abmindernde
Folie auf der Verglasung benutzt wird
(vgl. dazu in Abbildung 9: SSV 40/21
mit IS). Bei dem Sonnenschutz, der im
Scheibenzwischenraum angeordnet ist,
kann das Gewebe oder der Lamellenbehang nicht hinterlüftet werden, so dass
der Sonnenschutz sehr warm wird (bis
ca. 80 bis 90°C, vgl. dazu Messungen
des ift Rosenheim [4]). Da auf beiden
Seiten des Sonnenschutzes nur eine
einzelne Scheibe der Isolierverglasung
angrenzt, gibt der Sonnenschutz seine
Wärme auch zum großen Teil nach
innen in den Raum hinein ab (was in
Abbildung 9 anhand des relativ hohen
Wertes der sekundären Wärmeabgabe
für WSV mit IntS abzulesen ist). Einzig
beim Außensonnenschutz stellt die
Isolierverglasung hinter dem Sonnenschutz einen hohen thermischen Widerstand dar, so dass der Sonnenschutz
nahezu seine gesamte Wärme an die
Außenluft abgibt.
Anhand obiger Ergebnisse lässt sich
somit eindeutig konstatieren, dass ein
Außensonnenschutz klar das größte
Potential zur Einsparung von Kühlenergie bietet. Diese Tatsache ist seit langem bekannt und spiegelt sich auch in
den maßgeblichen technischen Regelwerken (z.B. DIN 4108-2, DIN V 18599)
wider.
sicht+sonnenschutz 4/2009
…oder mit vertikal angeordneten Stofflamellen.
Fotos: Warema
Energiebedarf der
künstlichen Beleuchtung
Hinsichtlich des Energiebedarfs der
künstlichen Beleuchtung ist dabei darauf zu achten, dass in der Bundesrepublik Deutschland bedeckte Tage ohne
Sonnenschein viel häufiger sind als
sonnige Tage. Vor diesem Hintergrund
stellt sich der bedeckte Tag ohne Sonne
– und somit auch ohne geschlossenen
Sonnenschutz, falls dieser beweglich
ausgeführt ist – als maßgeblich dar.
Tageslichttransmission der Fassade
Als maßgeblicher technischer Kennwert
zur Beurteilung des Tageslichteintrags
durch eine Fassade wird der Lichtdurch-
Abbildung 8: Typische Isolierverglasungen in Deutschland.
Grafiken: Dr. Pültz
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Sonnenschutztechnik
lassgrad oder die Tageslichttransmission
(tL-Wert) verwendet. In Analogie zum
g-Wert ist auch die Tageslichtransmission als Verhältnis definiert: Der tLWert gibt an, wie viel des außen auf der
Fassade auftreffenden Tageslichts in
den Raum hinein gelangt.
Abbildung 9: Gesamtenergiedurchlassgrade
(g-Werte) der Fassaden1 im Sommer.
Abbildung 10: Lichtdurchlassgrade
(tL-Werte) der Fassaden am bedeckten Tag.
Tageslichteintrag im Vergleich
Um den Tageslichteintrag – und damit
das Potential zur Einsparung von Strom
für die Beleuchtung – der unterschiedlichen Sonnenschutzsysteme vergleichen zu können, sind in Abbildung 10
die Lichtdurchlassgrade der betrachteten Fassadenvarianten aufgetragen.
In Abbildung 10 offenbart sich nun
ein großer Nachteil von Fassaden mit
starker Sonnenschutzverglasung oder
von Verglasungen, die eine entsprechend stark abmindernde Folie aufgebracht haben, um eine einigermaßen
gute Sonnenschutzwirkung zu bieten.
Denn diese Fassaden weisen auch am
bedeckten Tag eine deutlich niedrigere
Tageslichttransmission auf als die Fassaden mit einer hellen Wärmeschutzverglasung. Wie der Abbildung 10 zu
entnehmen ist, weisen die Fassaden mit
heller Wärmeschutzverglasung (und
hochgefahrenem Sonnenschutz) einen
Tageslichteintrag auf, welcher nahezu
doppelt so hoch ist wie bei einer starken Sonnenschutzverglasung bzw. Verglasung mit aufgebrachter Folie. Bei dem
Sonnenschutz im Scheibenzwischenraum wirkt sich jedoch ungünstig aus,
dass er durch seine Lage im Scheibenzwischenraum auch im hochgefahrenen
Zustand eine gewisse Verglasungsfläche
verschattet, z. B. als Lamellenpaket. Es
liegt somit auf der Hand, dass sich der
Strombedarf für künstliche Beleuchtung
bei den Fassaden mit Wärmeschutzverglasung deutlich günstiger darstellt.
Somit zeigt sich auch im Hinblick auf
den Energiebedarf für die künstliche
Beleuchtung die Überlegenheit der Fassade mit beweglichem Außensonnenschutz gegenüber den Fassaden mit
starker Sonnenschutzverglasung oder
Verglasungen mit aufgeklebter, stark
abmindernder Folie.
Energiebedarf zur
winterlichen Beheizung
Abbildung 11: Gesamtenergiedurchlassgrade
(g-Werte) der Fassaden2 im Winter.
16
Ähnlich wie im Sommerfall stellt der
Gesamtenergiedurchlassgrad (g-Wert)
der Fassade auch die maßgebliche
Kenngröße zur Beurteilung der solaren
Wärmegewinne im Winter dar. Allerdings stellt sich im Winter im Gegensatz zum Sommer ein möglichst hoher
g-Wert als zielführend dar, um ein
Maximum der auf der Fassade auftreffenden Solarstrahlung in die Räume
hineinzulassen und dadurch den Heizwärmebedarf zu verringern.
Gesamtenergiedurchlassgrad
der Fassade
In Analogie zum Tageslichteintrag zeigt
sich auch an dieser Stelle wieder ein
großer, prinzipieller Vorteil einer Fassade, die einen beweglichen Sonnenschutz aufweist, gegenüber einer Fassade, die durch einen unveränderlichen
g-Wert gekennzeichnet ist (wie z. B.
eine starke Sonnenschutzverglasung
oder eine Verglasung mit einer aufgeklebten, stark abmindernden Folie): Der
Außensonnenschutz kann im Winter
hochgefahren bleiben, um möglichst
große solare Wärmegewinne zu erzielen – wenn ein geeigneter innenliegender Blendschutz verfügbar ist, um
Blenderscheinungen zu vermeiden.
Diese Anpassungsfähigkeit an die
Jahreszeiten mittels verfahrbarem Sonnenschutz führt dazu, dass diese Fassaden im Winter einen deutlich höheren Gesamtenergiedurchlassgrad aufweisen als die Sonnenschutzverglasungen bzw. Verglasungen mit aufgeklebter Folie (vgl. dazu Abbildung 11). Der
nahezu doppelt so hohe g-Wert der
Wärmeschutzverglasung gegenüber den
Sonnenschutzverglasungen bzw. Verglasungen mit aufgeklebter Folie führt
natürlich auch zu nahezu doppelt so
guten solaren Wärmegewinnen im
Winter. In Analogie zum Tageslichteintrag am bedeckten Tag bewirkt die
ungünstige Lage des integrierten Sonnenschutzes im Scheibenzwischenraum
der WSV durch die Lamellenpakete
auch im Winter etwas reduzierte solare
Wärmegewinne.
Obige Ausführungen zeigen somit
auf, dass das größte Potential zur Heizenergieeinsparung im Winter durch
maximale solare Wärmegewinne wiederum die Wärmeschutzverglasung in
Kombination mit dem Außensonnenschutz bietet.
Energieeinsparpotential
diverser Sonnenschutzsysteme
Die Sonnenschutzwirkung einer Fassade kann durch verschiedene Systeme
sicht+sonnenschutz 4/2009
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(z. B. starr/beweglich, innen/außen, Gewebe/Raffstore, etc.)
erzielt werden. Im Hinblick auf das Potential zu Energieeinsparungen stellt die Anpassungsfähigkeit der Fassade
an die Jahreszeiten bzw. das Außenklima das wesentliche
Qualitätsmerkmal dar. Eine ganzheitliche Betrachtung von
• Sommer bzw. Kühlenergiebedarf,
• Tageslicht bzw. Beleuchtungsenergiebedarf,
• Winter bzw. Heizenergiebedarf
zeigt klar auf, dass eine Fassade mit handelsüblicher Wärmeschutzverglasung in Kombination mit einem außen liegenden
Lamellen-Raffstore eindeutig die größtmöglichen Energieeinsparungen bietet. Es sei daher vor verkürzten Betrachtungsweisen gewarnt, welche in der Vergangenheit zu tendenziösen, fachlich unkorrekten Schlussfolgerungen führten.
Abschließend sei auf ein sehr häufig unterschätztes
Problem mit dem Außensonnenschutz hingewiesen: Die
Erfahrung lehrt nämlich, dass die bloße Verfügbarkeit
eines Außensonnenschutzes mit manueller Bedienung
häufig nicht ausreicht, dessen Funktion sicherzustellen.
Erst mit Hilfe automatischer Antriebe in Kombination mit
einer intelligenten Steuerung (z. B. Schließen des Sonnenschutzes nur auf den besonnten Fassadenflächen) und
einer ausreichenden Windstabilität kann das System
Außensonnenschutz sein volles Potential entfalten.
Dr. Gunter Pültz
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1
Die in Abbildung 9 dargestellten g-Werte wurden mit Hilfe strahlungsphysikalischer Berechnungen auf Basis von Spektralverteilungen ermittelt.
Die detaillierten Berechnungsalgorithmen hierzu finden sich in den maßgeblichen technischen Regelwerken DIN EN 13363-2 und ISO 15099.
2
Die in Abbildung 11 dargestellten g-Werte wurden mit Hilfe strahlungsphysikalischer Berechnungen auf Basis von Spektralverteilungen
ermittelt. Die detaillierten Berechnungsalgorithmen hierzu finden sich in
den maßgeblichen technischen Regelwerken DIN EN 410 bzw. ISO 9050.
Literatur
[1] Berechnung der Wahrscheinlichkeiten für das Eintreten von
Extremereignissen durch Klimaänderungen mit Schwerpunkt
Deutschland, M. Schönwiese, Institut für Atmosphäre und Umwelt der
Universität Frankfurt/Main, Forschungsvorhaben im Auftrag des
Umweltbundesamts, Forschungsbericht 20141254, August 2005
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[2] DIN EN 13363, 2005-06 + Berichtigung, 2007-04
Sonnenschutzeinrichtungen in Kombination mit Verglasungen – Berechnung der Solarstrahlung und des Lichttransmissionsgrades – Teil 2:
Detailliertes Berechnungsverfahren;
Deutsche Fassung EN 13363-2:2005,
Berichtigung zu DIN EN 13363-2:2005-06;
Deutsche Fassung EN 13363-2:2005/AC:2006
[3] ISO 15099, Ausgabe: 2003-11 Thermal performance of windows,
doors and shading devices - Detailed calculations
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[4] Integrale Bewertung innovativer Gebäudehüllen, M. Freinberger,
Dr. P. Plathner, Forschungsbericht des ift Rosenheim, Juli 2004
[5] DIN EN 410, Ausgabe: 1998-12 Glas im Bauwesen - Bestimmung der
lichttechnischen und strahlungsphysikalischen Kenngrößen von Verglasungen; Deutsche Fassung EN 410:1998
[6] ISO 9050, second edition: 2003-08-15 Glass in building – Determination of light transmittance, solar direct transmittance, total solar energy
transmittance, ultraviolet transmittance and related glazing factors
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