Solarabsorption auf Außenwänden und Reduktion der Transmissionswärmeverluste (AMz-Bericht 5/1997)

1. Einleitung

Die Arbeitsgemeinschaft Mauerziegel hat in den letzten Jahren mehrere Forschungsarbeiten in Auftrag gegeben, energetischen Auswirkungen der Solarabsorption auf Außenwänden zur Reduktion der Transmissionswärmeverluste und die damit verbundene Verringerung des Heizenergiebedarfs zu untersuchen. Im Bericht 2/95 der AMz sind ein großer Teil der Ergebnisse vorgestellt worden. Aus aktuellen Anlaß erfolgt eine erneute Berichterstattung. Die Betrachtung der solaren Zustrahlung auf opake Bauteilflächen mit den damit verbundenen Energiegewinnen findet bislang zu wenig Beachtung in den bekannten Bewertungsverfahren zur Ermittlung des Wärmebedarfs von Gebäuden. Die europäischen Regelwerke zur Berechnung des Heizwärmebedarf von Gebäuden ermöglichen allerdings zukünftig die Berücksichtigung dieser Solareffekte [5] , die sich im Nachweisverfahren einer novellierten Heizenergieverordnung wiederum positiv auswirken können.

2. Durchgeführte Messungen

In [1] wurden 13 verschiedene Außenwandkonstruktionen mit unterschiedlichen Aufbauten in Leicht- und Schwerbauweise und mit verschieden gestalteten Oberflächen untersucht. Die rechnerischen Wärmedurchgangskoeffizienten der vorrangig aus Ziegelmauerwerk erstellten Wände lagen zwischen 0,27 und 0,88 W/m²K und bilden die gesamte Palette bauüblicher Konstruktionen ab. Die Absorptionskoeffizienten der farbigen Oberflächen wurden gemessen und sie ergaben für weiße Oberputze Werte von ca. 0,3 und für dunklere Oberflächen Werte zwischen 0,65 (rote VMz) und 0,78 (dunkelbrauner Anstrich). Dies bedeutet, daß zwischen 30 und 78 % der einfallenden kurzwelligen Solarstrahlung an der Oberfläche absorbiert und in Wärme umgewandelt werden kann. Tabelle 1 zeigt eine Zusammenstellung üblicher Außenbeschichtungen und -farben mit den dazugehörenden Absorptionskoeffizienten der Solarstrahlung.

Oberfläche Farbe Absorptionskoeffizient der
Solarstrahlung
Mineralischer Putz weiß (Neuanstrich) 0,15 - 0,25
Mineralischer Putz weiß - hellgrau 0,3
Mineralischer Putz mittelbraun 0,5
Vormauerziegel rot - dunkelrot 0,65 - 0,7
Mineralischer Putz oxydrot, dunkelbraun 0,65 - 0,75

Vergleicht man die Wärmeverluste einer weißen, nach Norden orientierten Wand mit einer dunklen, nach Süden orientierten über die Heizperiode, ergeben sich für diese bis zu 23 % geringere Verluste durch die Sonnenzustrahlung bei gleichem rechnerischen Wärmedurchgangskoeffizienten. Selbst eine weiße, nach Süden orientierte massive Wand kann bis zu 9 % reduzierte Wärmeverluste gegenüber einer massenlosen und ohne Strahlung beaufschlagten Außenwand aufweisen.
Ähnliche Ergebnisse werden in [2] dargestellt. Hier sind allerdings lediglich zwei unterschiedliche Südwände, nämlich eine 50 cm starke Leichthochlochziegelwand und eine 15 cm starke Ziegelwand mit Wärmedämmverbundsystem meßtechnisch und rechnerisch untersucht worden. Beide Außenwände weisen nahezu gleiche rechnerische Wärmedurchgangskoeffizienten von 0,38 bzw. 0,39 W/m
2 K auf. Die verputzten und nach Süden orientierten Außenoberflächen sind für die Messungen braun eingefärbt worden. Dies führt zu einem Absorptionsgrad von etwa 0,7. Die meßtechnischen Untersuchungen zu den Wärmeverlusten dieser Wände ergaben für den Meßzeitraum während der Winterperiode für das massive Ziegelmauerwerk einen effektiven k-Wert von 0,32 W/m2 K und damit eine Reduzierung der Wärmeverluste um fast 16 % gegenüber dem rechnerischen Wert. Das mit Wärmedämmverbundsystem ausgestattete Mauerwerk wies eine Verbesserung um gut 12 % d.h. einen effektiven Wärmedurchgangskoeffizienten von 0,34 W/m2 K auf. Schon hier läßt sich erkennen, daß offensichtlich der konstruktive Aufbau der Außenwand keinen großen Einfluß auf die Solarabsorption und die damit verbundenen Reduktion der Transmissionswärmeverluste hat.
Die jetzt vorgelegten Ergebnisse einer Untersuchung [3] mit 13 unterschiedlichen Wandaufbauten mit rechnerischen Wärmedurchgangskoeffizienten zwischen 0,43 und 0,61 W/m
2 K ergeben hinsichtlich der Wärmeverluste in den Wintermonaten ähnliche Resultate. Unterschiedliche Oberflächenstrukturen und -farben der vornehmlich südorientierten Wände führen zu Reduzierungen der Wärmeverluste von bis zu 26 % gegenüber nordorientierten, nicht der Sonneneinstrahlung ausgesetzten Wänden. Die höchsten Einsparungen wurden bei dunkelbraunen Oberflächen bzw. Sichtmauerwerk mit Absorptionsgraden von etwa 0,7 erreicht. Die helleren Oberflächen erreichen Reduktionen zwischen 2 und 10 %. Diese prozentualen Verbesserungen des k-Wertes treffen dabei für alle Wandaufbauten ähnlich zu. Darüber hinaus wird in [3] ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die hier ermittelten Reduktionen stark abhängig vom Klimastandort und damit von der verfügbaren Solarstrahlung sind. Dies läßt sich auch durch den rechnerischen Ansatz der prozentualen Wärmestromreduzierung ableiten:

Diese Reduktionen gelten für den sehr strahlungsreichen Standort Holzkirchen. Für das mittlere deutsche Klima mit Referenzort Würzburg muß von ca. 20 % geringeren Einsparungen ausgegangen werden.

Tabelle 2 zeigt eine Zusammenstellung der sich aus den Untersuchungen [1-3] ergebenden effektiven Wärmedurchgangskoeffizienten im Vergleich zu denen ohne solare Zustrahlung und der unterschiedlichen Farbgestaltung aller untersuchten Außenwände.

Tabelle 2:
Effektive Wärmedurchgangskoeffizienten und prozentuale Verbesserungsmaße von südorientierten Außenwänden mit unterschiedlicher Farbgebung und verschiedenartigem Aufbau.

Wärmedurch-
gangskoeffi-
zient ohne
Strahlung
kR[W/m
2K]
Solarer
Absorpti-
onskoeffi-
zient
Bauweise Effektiver Wärmedurchgangskoeffi-
zient keff [W/m
2K]
Ver-
besse-
rungs-
maß
[%]
nach [1] nach [2] nach [3]
0,77 0,78 monolith 0,59     23
0,77 0,27 mololith 0,71     9
0,68 0,65 2-schalig 0,58     15
0,45 0,78 WDVS 0,35     22
0,27 0,78 Holzständer 0,21     24
0,39 0,68 WDVS   0,34   12
0,38 0,71 monolith   0,32   16
0,72 0,67 monolith
30 cm
    0,56 23
0,72 0,49 monolith
30 cm
    0,60 17
0,73 0,26 monolith
30 cm
    0,66 9
0,66 0,15 monolith
30 cm
    0,65 2
0,48 0,67 monolith
36,5 cm
    0,38 21
0,60 0,15 monolith
36,5 cm
    0,59 2
0,44 0,32 Dämmputz
30,0+6,0 cm
    0,40 10
0,38 0,71 2-schalig
Klinker
    0,28 26
0,60 0,67 monolith
36,5 cm Nord
    0,56 7

3. Rechnerische Untersuchungen

Für die Praxis sind die zuvor dargestellten Verbesserungsmaße in die Energiebilanz eines Gebäudes aufzunehmen, um die Auswirkungen auf den Heizwärmebedarf berechnen zu können. In der Regel weisen Gebäude in der Südfassade die geringsten Außenwandanteile auf, da hier insbesondere Fensterflächen zur Solarenergienutzung angeordnet sind. Mittels rechnerischer Untersuchungen [4] sind die effektiven Wärmedurchgangskoeffizienten der Außenwände über die vier Hauptorientierungen typischer Gebäude ermittelt worden. Dazu sind die zuvor gemessenen Absorptionsgrade der Außenwände in die Energiebilanzen der Wohngebäude eingeflossen, um so mittlere effektive Wärmedurchgangskoeffizienten und deren Einfluß auf die Heizwärmeeinsparung ermitteln zu können.
Es ergeben sich im Mittel Verbesserungen des rechnerischen Wärmedurchgangskoeffizienten sämtlicher Außenwände zwischen 4 und 6% für helle und 9 und 14 % für dunkle Oberflächen. Den höchsten Bonus erreicht die zweischalige, dunkelrot verklinkerte Außenwand. Die dynamischen Berechnungsergebnisse zeigen damit eine gute Übereinstimmung mit den Meßergebnissen.

4. Auswirkung auf den Heizwärmebedarf

Bedenkt man, daß die Transmissionswärmeverluste der gut gedämmten Außenwände nur einen kleinen Teil des gesamten Heizwärmebedarfs ausmachen, wird klar, daß die Einsparpotentiale zur Heizenergie relativ gering sind. Die Simulationsrechnungen [4] haben ergeben, daß bei Einsatz heller, d.h. verputzter einschaliger Außenwände 1,5 - 4,5% Heizwärme durch Solarabsorption eingespart werden kann. Bei dunklen Oberflächen liegen diese Werte zwischen 2 und etwa 8% Eneergieeinsparung.
Dieser Bonus ist weitestgehend unabhängig von der ein-oder zweischaligen Bauweise, jedoch zeigen schwere Außenwände tendenziell höhere Verbesserungsmaße als leichte Wände wie z. B. hochgedämmte Holzständerkonstruktionen. Dies ist durch den erhöhten Ausnutzungsgrad der solaren Gewinne bei schweren Bauweisen zu erklären [6]. In jedem Fall ist das Einsparpotential durch die Farbgebung immer für das zu betrachtende Objekt zu ermitteln, um Standortdaten, Fensterflächenanteile, Verschattungen, etc. mit zu berücksichtigen.

Bild 1 gibt die Spannweite der möglichen prozentualen Heizwärmeeinsparungen durch die Berücksichtigung der effektiven Wärmedurchgangskoeffizienten sämtlicher untersuchter Außenwände unterschiedlicher Gebäude mit verschiedenen solaren Absorptionsgraden wieder.

Bild 1: Durchschnittliche prozentuale Heizwärmeeinsparung gefärbter Außenoberflächen.

5. Berücksichtigung in der Normung

Die Effekte der Verringerung der Wärmedurchgangskoeffizienten von Außenwänden durch die solare Einstrahlung sind in der Fachwelt bekannt und allgemein unumstritten. Die rechnerische Berücksichtigung dieser zusätzlichen Solargewinne ist in ein europäisches Normenwerk zur Berechnung des Jahresheizwärmebedarfs von Wohngebäuden mit eingeflossen [5]. Diese prEN 832, die aller Voraussicht nach Basis des Nachweisverfahren für eine novellierte und verschärfte Wärmeschutzverordnung wird, geht im wesentlichen auf Arbeiten von Prof. Dr. Werner zurück. In einer Paramaterstudie mit Hilfe dieses neuen Rechenverfahrens wurde nachgewiesen [7], daß die Reduzierungen der k-Werte der Außenbauteile durchaus spürbare Heizwärmeeinsparungen von etwa 2% bewirken, trotz zusätzlicher langwelliger Abstrahlungen der Dachfläche an den Himmel. Dieser Rechenansatz gilt aber richtigerweise für alle opaken Bauteile, ob leichter oder schwerer Art. Weiterhin soll für den Fall der gesonderten Ermittlung der Solarstrahlungsgewinne auch die langwellige Abstrahlung während der Nacht und der Strahlenaustausch mit der Nachbarbebauung berücksichtigt werden. Dies ist für die den Himmel zugewandten Dachflächen äußerst sinnvoll, bei Wandflächen kann man aber davon ausgehen, daß diese Effekte im äußeren Wärmeübergangskoeffizienten enthalten sind.
Diese Prozedur entspricht durchaus realen Wärmetransportvorgängen und kann innerhalb eines stationären Rechenmodells wie der pr EN 832 als gangbarer Weg angesehen werden. Eine darüber hinaus gehende detailliertere rechnerische Erfassung dieser Vorgänge erscheint aus Sicht des Verfassers auf Grund geringer Einspareffekte im Gegensatz zu anderen energiebilanzrelevanten Größen nicht zielführend.

6. Zusammenfassung

Die Auswertung der zitierten Forschungsarbeiten [1-3] unterschiedlicher Autoren zeigt, daß die solare Absorption auf Außenwänden zu durchaus kalkulierbaren Heizwärmeeinsparungen führen kann. Darüber hinaus wird erkennbar, daß die ermittelten Verbesserungsmaße hauptsächlich von der Farbgebung der Außenwandoberfläche und dem Strahlungsangebot abhängig sind. Die Flächenmasse gut gedämmter Außenbauteile und die Anordnung äußerer Dämmschichten spielt eine untergeordnete Rolle für Nutzung solarer Zustrahlung. Bei hoch absorbierenden Oberflächen wie z.B. roten Vormauerziegel- oder Klinkerwänden sind die höchsten Verbesserungsmaße von bis zu 26 % an südorientierten Wänden erreichbar. Die Reduzierung des Heizwärmebedarfs durchschnittlicher Gebäude fällt auf Grund des geringen Anteils der Außenwände an den Gesamtverlusten nur noch vermindert in Gewicht. Etwa 2 bis 8 % Heizwärmeeinsparung sind in der Praxis bei unverschatteten Fassaden möglich. Diesem Umstand wird erstmalig in der europäischen Normung Rechnung getragen, wenn gleich dort die erreichbaren Verbesserungen etwas geringer ausfallen können, da auf der sog. "sicheren Seite" liegend.

7. Literatur

[1] Kupke, C.; Stohrer, M.: Wärmeenergietransport durch Außenwände unter natürlichen Klimabedingungen. Abschlußbericht Forschungs- und Entwicklungsgemeinschaft für Bauphysik e.V. an der FH für Technik (FEB), Stuttgart (1987).
[2] Frank, T.: Energiebilanz von Außenwänden unter realen Randbedingungen. Untersuchunsbericht Nr. 136 788, Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA), Dübendorf, Schweiz (1994).
[3] Lindauer, E; Einfluß der Absorption von Sonnenstrahlung auf die Transmissionswärmeverluste von Außenwänden aus Ziegelmauerwerk. Bericht REB 4/1996 des Fraunhofer Instituts für Bauphysik, Holzkirchen (1996).
[4] Palmiter, L.; Wheeling, T.: SUNCODE - A Program User`s Manual. Ecotope Group (1981).
[5] CEN: Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden - Berechnung des Heizenergiebedarfs Wohngebäude. Entwurf prEN 832. Brüssel (1994).
[6] Lindauer, E.: Untersuchungen zum Nachweis des solaren Ausnutzungsgrades an thermisch leichten und schweren Versuchsräumen. Bericht REB 5/1996 des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik, Holzkirchen (1997).
[7] Werner, H.: Parameterstudie über energetische Einflußgrößen auf den Heizenergiebedarf von Gebäuden im Hinblick auf die ESVO '99, Rottach-Egern (1997) unveröffentlicht.

August 1997
Gi-GdJ-AMz