Photovoltaik: Im Zuge der Energiewende werden immer mehr Steildächer mit PV-Modulen belegt. Was gut für die Umwelt ist, muss jedoch nicht immer gut für die darunterliegende Dachkonstruktion sein. Eine Belegung der Dachfläche mit einer PV-Anlage verändert maßgeblich die Temperaturen in der Dachkonstruktion und somit deren Feuchteverhalten.
Eine Aufdach-PV-Anlage verschattet die Dachfläche und führt gleichzeitig Energie ab, die sonst zur Erwärmung zur Verfügung steht. Das führt dazu, das die Dachkonstruktionen vor allem im Sommer deutlich kühler bleiben als vergleichbare Dächer ohne PV-Anlage [1]. Bisher war jedoch unklar, inwieweit sich die Temperaturen verändern und wie sich dies auf die Feuchteverhältnisse in der Kon-
struktion auswirkt. Um dies genauer zu untersuchen, wurden an Steildachkonstruktionen auf dem Freilandversuchsgelände des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik (IBP) in Holzkirchen Untersuchungen mit in Betrieb befindlichen PV-Anlagen durchgeführt.
Versuchsfeldern mit und ohne PV-Modulen zwei verschiedene Dachaufbauten untersucht
An einer 16° nach Nord und Süd geneigten Dachkonstruktion wurden an verschiedenen Versuchsfeldern mit und ohne PV-Modulen zwei verschiedene Dachaufbauten untersucht. Hierzu wurden an drei Achsen zwischen Traufe und First an unterschiedlichen Positionen im Dachaufbau die Temperaturen gemessen. Aufbau A stellt eine typische, von innen sanierte Altbausituation mit einer 180 Millimeter dicken Zwischensparrendämmung und einer diffusionssperrenden Bitumen-Unterdachbahn auf einer Holzschalung dar. Auf der Raumseite wurde eine feuchtevariable Dampfbremse Isover Vario XtraSafe verlegt. Der Aufbau B stellt eine Sanierungslösung von außen dar. Bei dieser Konstruktion wurde ein feuchtevariable Dampfbremse auf der Schalung verlegt und eine 120 Millimeter Aufsparrendämmung mit aufkaschierter diffusionsoffener Unterdeckbahn Isover Ultimate AP SupraPlus-031 aufgebracht. Die genauen Aufbauten beider Konstruktionen sind in Tabelle 1 beschrieben.
Für aussagekräftige Messungen genügt es, je ein Versuchsfeld von der Traufe bis zum First mit PV-Modulen zu belegen, da sich in dieser Achse ein Temperaturprofil ausbildet [3]. Die beiden identischen Dachräume unterhalb der Konstruktionen wurden während des Versuchs auf 20 °C bei 50 Prozent r.F. klimatisiert, um Wohnraumbedingungen zu schaffen.
Temperaturen auf dem Unterdach hauptsächlich von der Belegung mit PV-Modulen
Von Oktober 2023 bis Oktober 2024 wurden die Temperaturen an verschiedenen Positionen in den Dachaufbauten gemessen. In Abbildung 6 sind die Temperaturen auf der Unterdachoberfläche in der Mitte zwischen Traufe und First dargestellt. Die gleitenden Monatsmitteltemperaturen der Konstruktion A, Süd mit PV-Belegung sind schwarz und die ohne PV-Module rot dargestellt. Im Vergleich dazu sind die Temperaturen auf der Nordseite ohne PV grün dargestellt. Der blaue Verlauf zeigt die Temperaturen der Konstruktion B mit PV-Modulen auf der Südseite.
Werden nun die Temperaturen der Konstruktion A mit und ohne PV verglichen, fällt auf, dass im Sommer die höchsten Temperaturen auf der Südseite ohne PV-Belegung (rot) auftreten und die niedrigsten auf der Südseite mit PV-Modulen (schwarz). Auf der Nordseite (grün) liegen die Temperaturen von Frühjahr bis Herbst über denen der mit PV-Modulen belegten Südseite. Bereits hier zeigt sich, dass die geneigte Nordseite ohne PV feuchtetechnisch nicht den kritischsten Fall darstellt.
In den Wintermonaten sind die Unterschiede mit und ohne PV aufgrund der geringen Solarstrahlung nur gering, wobei hier aufgrund des niedrigeren Sonnenstandes auf der Nordseite leicht niedrigere Temperaturen gemessen werden.
Ein Vergleich der Temperaturen der beiden Konstruktionen mit PV Konstruktion A, Sanierung von innen (schwarz), und B, Sanierung von außen (blau) zeigt im Jahresverlauf nur geringe Unterschiede.
Dies zeigt, dass die für das Feuchteverhalten maßgeblichen Temperaturen auf dem Unterdach hauptsächlich von der Belegung mit PV-Modulen und weniger durch die darunterliegende Dachkonstruktion beeinflusst werden.
Bewertung des Feuchteverhaltens durch hygrothermische Simulation
Nachfolgend werden durch hygrothermische Simulation mit WUFI® [2] die sich einstellenden Feuchtegehalte in der Holzschalung der beiden untersuchten Dächer (Sanierung von innen und außen) berechnet und bewertet. Dabei werden vier verschiedene Varianten betrachtet.
Auf Basis der gemessenen Temperaturen in den Dachkonstruktionen wurden die Klima- und Strahlungsparameter des Hygrothermischen Referenzjahres (HRY) [8] für Holzkirchen so angepasst, dass sich in der Simulation die Bedingungen auf dem Unterdach mit PV-Modulen an der mittleren Position zwischen Traufe und First einstellen. Für die Konstruktion ohne PV-Module wurden die hygrothermischen Simulationsparameter für hinterlüftete Steildachkonstruktionen gem. [3] verwendet. Im Vergleich dazu werden die beiden bisher bereits gelegentlich verwendeten Ansätze zur hygrothermischen Simulation von Steildächern mit PV-Belegung herangezogen: Zum einen eine im selben Winkel geneigte, nach Norden orientierte Dachfläche, bei der zum Teil angenommen wurde, dass sie bereits die kritische Situation darstellt und somit auch die Situation Süd mit PV repräsentiert. Zum anderen der Ansatz nach WTA-Merkblatt 6-8 [4] bzw. [5] für aufgeständerte PV-Module auf Flachdächern, der zwar nicht für Steildächer gedacht war, in Ermangelung anderer Untersuchungen jedoch ebenfalls vereinfacht auch für diese herangezogen wurde.
Das Ergebnis des aus den Messergebnissen abgeleiteten Simulationsansatzes wird als schwarzer Wassergehaltsverlauf gezeigt. Im Vergleich dazu ist der Wassergehalt bei Südorientierung ohne PV-Module als roter Verlauf dargestellt. Es zeigt sich, dass mit PV-Modulen bei dieser Konstruktion die Spitzen des Wassergehaltes um circa 5 M.-% höher liegen als ohne PV-Module. Als grüner Verlauf ist der Wassergehalt bei Nordorientierung der Dachfläche dargestellt. Dieser liegt in den Spitzen circa 3 M.-% unter dem schwarzen Verlauf und ist dementsprechend nicht als kritischer Ansatz für die Situation mit PV-Verschattung geeignet. Der Wassergehalt bei Ansatz der Parameter des WTA-Merkblatts 6-8 [4] für aufgeständerte Solarmodule auf einem Flachdach ist als blauer Verlauf dargestellt. Hier steigt der Wassergehalt über den gesamten Simulationszeitraum an und liegt ab dem dritten Simulationsjahr über dem Grenzwert von 20 M.-% der DIN 68800-2 [6]. Ab dem sechsten Simulationsjahr liegt der Wassergehalt in den Spitzen mehr als 5 M.-% über dem schwarzen Verlauf. Daraus wird deutlich, dass dieser Ansatz zu kritisch und für Steildächer weniger geeignet ist bzw. für eine sinnvolle Bewertung zu weit auf der sicheren Seite liegt.
Simulationsmodell zur Berücksichtigung von Solaranlagen auf Steildachkonstruktionen
An dieser Stelle soll nochmals darauf hingewiesen werden, dass Simulationsergebnisse immer nur so gut sein können, wie die zugrunde gelegten Eingabedaten. Dies betrifft zum einen das Simulationsmodell zur Berücksichtigung von Solaranlagen auf Steildachkonstruktionen, welches aktuell noch für die Praxisanwendung finalisiert und validiert wird. Zum anderen gilt dies natürlich auch für die verwendeten Materialdaten – hier im aktuellen Fall besonders die Feuchtevariabilität der verwendeten Dampfbremsen. Die verschiedenen variablen Dampfbremsen unterscheiden sich oft weniger durch die absolute Spreizung, sondern vor allem durch Lage und Verlauf des Umschlagsbereichs von diffusionsoffen zu diffusionshemmend. Parallele Untersuchungen haben gezeigt, dass jedoch vor allem dieser Umschlagbereich von feuchtevariablen Dampfbremsen in Kombination mit den dann vorliegenden Diffusionswiderständen ausschlaggebend für die Funktionalität ist. Werden bei der Messung zu wenige Stützpunkte verwendet oder bei der Auswertung das Feuchteprofil in der Dampfbremse selbst nicht berücksichtigt, kann dies, vor allem bei eher kritischen Konstruktionen, bei denen die genauen Eigenschaften der variablen Dampfbremse entscheidend sind, zu einer deutlichen Abweichung vom realen Verhalten und damit zu einer Fehleinschätzung führen. Der hier verwendete Datensatz der ISOVER XtraSafe basiert auf acht über den gesamten Feuchtebereich verteilten Einzelmessungen. Durch die Überlappung der Messbereiche wird die Auflösung weiter erhöht und sichergestellt, dass der Zusammenhang zwischen Diffusionswiderstand und relativer Feuchte der Bahn zuverlässig und mit der angemessenen Genauigkeit abgeleitet werden kann.
Wassergehaltsverläufe in der Holzschalung
In Abbildung 8 sind die simulierten Wassergehaltsverläufe in der Holzschalung der Konstruktion B dargestellt. Durch den Konstruktionsaufbau mit Aufsparrendämmung sind die Unterschiede zwischen den Varianten weniger ausgeprägt als bei der Konstruktion A. Die mithilfe des aus den Messergebnissen abgeleiteten Simulationsansatzes berechneten Wassergehalte sind auch hier als schwarzer Verlauf dargestellt. Aufgrund der raumseitig fehlenden Dampfbremse werden im Vergleich zu Konstruktion A in den Spitzen leicht höhere Werte erreicht. Die simulierten Wassergehalte bei Südorientierung ohne PV sind als roter Verlauf dargestellt. Im Vergleich zum schwarzen Verlauf trocknet diese Variante in den Sommermonaten etwas stärker aus, im Winter werden ähnlich hohe Wassergehalte um die 17,5 M.-% erreicht. Die Simulation bei Nordorientierung führt, ebenso wie der Ansatz gem. WTA 6-8 [4], in den winterlichen Spitzen zu Wassergehalten von circa 19 M.-%. Beide Ergebnisse liegen damit knapp unterhalb des Grenzwertes von 20 M.-% gem. DIN 68800-2 [6]. Bei der Sanierungsvariante führen somit beide alternativen Simulationsansätze (Nord und Verschattung nach WTA [4]) zu höheren Wassergehalten in der Holzschalung als die Simulation mit dem neuen Verschattungsansatz. Bei der von innen sanierten (Konstruktion A) ergaben sich für diese beiden Varianten deutlich unterschiedliche Ergebnisse. Dies macht deutlich, dass es bei Konstruktionen, die keine großen Sicherheiten aufweisen, sinnvoll ist, jede Steildachkonstruktion mit Solaranlage individuell zu bewerten.
Feuchteverhalten in Hamburg
Im Folgenden werden Dachflächen mit PV-Modulen untersucht, die eine Ost-West Orientierung aufweisen, diese haben den Vorteil eines über den Tag gleichmäßigeren Energiegewinns. Dazu wird die von innen sanierte Altbaukonstruktion (Konstruktion A) mit einer diffusionssperrenden Bitumen-Unterdachbahn betrachtet. Beispielhaft wird eine 45° nach Ost geneigte Dachfläche in Hamburg als eher strahlungsärmerer Standort mit und ohne Solaranlage simuliert.
Abbildung 9 zeigt die mit WUFI® simulierten Wassergehaltsverläufe ohne (grün) und mit PV-Belegung (schwarz). Es zeigt sich, dass die Konstruktion ohne Solaranlage langfristig geringe Wassergehalte aufweist und somit dauerhaft funktionsfähig ist. Die nachträgliche Belegung mit PV-Modulen führt jedoch trotz feuchtevariabler Dampfbremse auf der Raumseite zu ansteigenden Wassergehalten in der Schalung. Bereits im zweiten Jahr wird der Grenzwert von 20 M.-% [6] überschritten. Die feuchtevariable Dampfbremse wirkt sich generell positiv auf das Feuchteverhalten der Dächer aus – es kann aber nicht pauschal angenommen werden, dass jede Konstruktion mit einer feuchtevariablen Dampfbremse in Kombination mit PV-Modulen funktioniert. Die Feuchtesicherheit einer Konstruktion nach DIN 4108-3 [7] ist daher, wie oben bereits erwähnt, im Zweifel individuell zu prüfen.
Im Vergleich dazu wird die Sanierungsvariante von außen (Konstruktion B) unter identischen Randbedingungen mit PV-Verschattung betrachtet. Die Ergebnisse für den Wassergehalt sind als blauer Verlauf dargestellt. Hier bleiben die Feuchteverhältnisse in der Holzschalung auf einem ähnlichen Niveau wie bei Variante A ohne PV-Module und daher langfristig im unkritischen Bereich. In diesem Fall wäre also die Sanierung von außen feuchtetechnisch günstiger als eine Sanierung von innen.
Aus den durchgeführten Freilanduntersuchungen geht hervor, dass die Temperaturen auf dem Unterdach durch PV-Module deutlich reduziert werden und sich dadurch kritischere Feuchtesituationen in der Dachkonstruktion einstellen können. Weiterhin wurde festgestellt, dass eine vereinfachte Simulation der geneigten Nordorientierung günstigere und der Ansatz nach WTA-Merkblatt 6-8 [4] für verschattete Flachdachkonstruktion eher kritische Bedingungen aufweist. Beide sind dementsprechend nicht für die genaue Bewertung von Steildächern mit Solaranlagen geeignet.
Den kompletten Beitrag lesen Sie in DDH 10. 2025.
