Wechselwirkungen von sommerlichem und winterlichem Wärmeverhalten: Fokus auf den Klimawandel

Eine integrale Planung zur Optimierung von Gebäudeentwürfen bedeutet, dass allen an der Realisierung Beteiligten die Wechselwirkungen von sommerlichem und winterlichem Wärmeverhalten bekannt sind. Nur so können bauliche und anlagentechnische Komponenten, die das thermische und energetische Verhalten betreffen, gut aufeinander abgestimmt und der benannte Zielkonflikt überwunden werden. Insbesondere die mit Fortschreiten des Klimawandels einhergehende zunehmende Bedeutung des sommerlichen Wärmeschutzes spielt hierbei eine große Rolle und erfordert sowohl für Neubauten als auch für Sanierungen die Einbeziehung der Veränderungen und Herausforderungen, die mit dem Klimawandel einhergehen. Der vorliegende Beitrag stellt in wesentlichen Auszügen die Ergebnisse der durch das Ingenieurbüro Prof. Dr. Hauser (IBH) im Auftrag der Repräsentanz Transparente Gebäudehülle (RTG) erstellten „Studie zur integralen Bewertung des sommerlichen Wärmeverhaltens – Thermischer Komfort und energetische Performance“ [1] zusammenfassend dar und bezieht dabei auch Ergebnisse im Vorfeld erstellter Studien [2] [3] ein.

Bedeutung der solaren Wärmeeinträge in der Heizzeit

Über die vergangenen Jahrzehnte wurden die Anforderungen an den baulichen Wärmeschutz in unterschiedlichen Fassungen der Wärmeschutzverordnung und der Energieeinsparverordnung und zuletzt über das Gebäudeenergiegesetz immer weiter verschärft. Die Verschärfung erfolgte, indem immer ambitioniertere Anforderungen zur Reduzierung der Wärmeverluste über die Bauteile der Gebäude festgelegt wurden. Eine Einbeziehung der nutzbaren solaren Wärmeeinträge wurde dabei nicht berücksichtigt, da die über die Gebäudehülle anfallenden Wärmeverluste zumindest zu Beginn der Regelsetzungen in ihrer Größenordnung die zu Heizzwecken nutzbaren solaren Wärme­einträge deutlich überstiegen und somit Maßnahmen zur Reduzierung der Wärmeverluste die größte Wirkung erzielt haben. Für das mittlerweile standardmäßig realisierte Wärmeschutzniveau bei Neubauten, welches in etwa dem Niveau eines so bezeichneten Effizienzhaus 55 entspricht, hat sich die Bedeutung der nutzbaren solaren Wärmeeinträge aber deutlich geändert. Für das in Abb. 1 dargestellte typische Einfamilienhaus folgt mit Abb. 2 eine exemplarische Auswertung relevanter Größen. Bei der Auswertung werden vier verschiedene grundflächenbezogene Fensterflächenanteile (von links nach rechts von 10 bis 40 %) unterstellt. Die Fenster sind mit einer üblichen 3-Scheiben-Ausführung modelliert, wobei ein U-Wert für das Fenster von 0,94 W/(m²K) und für das Glas ein typischer g-Wert von 0,53 unterstellt ist.

Aus Abb. 2 können folgende Bewertungen abgeleitet werden:
– Mit steigendem Fensterflächenanteil steigen auch die Transmissionswärmesenken, also die Wärmeverluste, die über die wärmetauschende Hüllfläche des Gebäudes in der Heizzeit anfallen (blaue Säulen). Die steigenden Wärmeverluste sind darauf zurückzuführen, dass bei Vergrößerung der Fenster der Flächenanteil der Außenwände mit vergleichsweise geringem U-Wert von 0,18 W/(m²K) sinkt, der Flächenanteil der Fenster mit hohem U-Wert von 0,94 W/(m²K) steigt.
– Gleichzeitig steigen aber auch die über Fenster in das Gebäude eindringenden und heizwärmebedarfsreduzierenden solaren Wärmeeinträge.
– Werden die anfallenden Wärmeverluste mit den nutzbaren solaren Wärmeeinträgen bilanziert, so ist deutlich zu erkennen, dass trotz steigernder Wärmeverluste in diesem Beispiel bei Vergrößerung der Fenster die verbleibenden Wärmeverluste sinken. Die Auswertungen zeigen, dass bei einem grundflächenbezogenen Fensterflächenanteil von 10 % etwas mehr als ein Viertel der anfallenden Verluste durch die solaren Wärmeeinträge kompensiert werden. Bei einem grundflächenbezogenen Fensterflächenanteil von 40 % können bereits mehr als die Hälfte der Verluste durch die nutzbaren solaren Wärmeeinträge gedeckt werden.

Die Fortschreibung der Anforderungssystematik im Gebäudeenergiegesetz darf in Bezug auf den baulichen Wärmeschutz künftig nicht mehr allein über Verschärfungen von U-Werten erfolgen, sondern dies muss zwingend unter Einbeziehung nutzbarer solarer Wärmeeinträge geschehen. Gleichzeitig muss aber auch die Fortschreibung der Anforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz die mit dem Klimawandel einhergehende zunehmende thermische Beanspruchung im Sommer berücksichtigen. Hierzu ist eine Fortschreibung der gegenwärtig durch das Gebäudeenergiegesetz [5] in Bezug genommenen DIN 4108-2 [6] und der in dieser Norm formulierten Mindestanforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz unter Einbeziehung von zukünftigen Klimadaten dringend erforderlich.

Aktuelles und künftiges Klima im Vergleich

Eine Einteilung Deutschlands in die Klimaregionen sommerkühlt (Klima­region A), gemäßigt (Klimaregion B) und sommerheiß (Klimaregion C), die auch der Nachweisführung zum sommerlichen Wärmeschutz nach DIN 4108-2 zugrunde gelegt ist, wird in Abb. 3 links dargestellt. Diese Regionalisierung basiert auf vom Deutschen Wetterdienst im Jahr 2010 für insgesamt 15 Klimaregionen zur Verfügung gestellten Klimadaten [7]. Im Jahr 2017 wurden neue ortsgenaue Klimadaten [8] für Deutschland im Kilometerraster veröffentlich. Es werden u. a. Daten für aktuelles mittleres Klima und künftiges mittleres Klima (Periode 2030 bis 2060) bereitgestellt. Eine Auswertung der mittleren Außenlufttemperaturen im Sommerhalbjahr für die aktuellen mittleren Klimadatensätze (Abb. 3, MItte) führt nach statistischer Aufteilung zu einer mit der Klimakarte der DIN 4108-2 vergleichsweise guten Übereinstimmung in Bezug auf die Klimaregionen A (blau), B (grün) und C (gelb). Erfolgt nun unter Anwendung derselben Kriterien eine Auswertung der ortsgenauen Zukunftsklimadaten, ergibt sich eine Aufteilung Deutschlands in sommerkühl, gemäßigt und sommerheiß, wie rechts in Abb. 3 gezeigt.

Der Vergleich der mittleren und rechten Deutschlandkarte in Abb. 3 zeigt anschaulich, dass weite Teile aktuell noch gemäßigter Regionen künftig als sommerheiße Regionen zu bewerten sind und als sommerkühle Gebiete künftig nur noch vereinzelte Höhenlagen gelten. Inwiefern sich diese Veränderungen auf das thermische und energetische Verhalten von Räumen auswirken, war wesentlicher Unter­suchungsgegenstand der hier vorgestellten Studie.

Einfluss künftiger Klimarandbedingungen

Um die Auswirkungen des Klimawandels auf das thermische und energetische Verhalten von Räumen zu untersuchen, wurden für die hier vorgestellte Studie zahlreiche Simulationsrechnungen unter Einbeziehung aller relevanten bauphysikalischen und geometrischen Eigenschaften durchgeführt. Im Weiteren erfolgen einzelne ausgewählte Ergebnisdarstellungen für den in Abb. 4 skizzierten Modellraum, anhand derer die wesentlichen Unterschiede der Wirkung von aktuellem und künftigem Klima auf das Raumklima verdeutlicht werden.

Die Erläuterung der Ergebnisse zielt dar­auf ab, die relevanten Parameter, die das sommerliche Wärmeverhalten und den Energiebedarf beeinflussen, darzustellen. Dies sind in erster Linie der Fensterflächenanteil und strahlungsphysikalische Eigenschaften (g-Wert) der Gläser, Sonnenschutz zur Reduzierung der Wärmeeinträge und die Nachtlüftung zur Abfuhr tagsüber eingespeicherter Wärmeeinträge.

Es folgen Auswertungen für insgesamt fünf Fälle, die in Tabelle 1 zusammenfassend beschrieben sind. In allen Fällen gleichermaßen unterstellt ist eine Ostorientierung der Fensterfassade sowie ein U_W-Wert des Fensters von 0,95 W/(m²K).

Die Auswertungen der einzelnen Fälle erfolgen jeweils beginnend mit einer grafischen Darstellung der stündlichen Temperaturüberschreitungen von 26, 28 und 30 °C (Teppichdiagramme). Dargestellt werden die Temperaturüberschreitungen für die Monate Mai bis September (horizontal) jeweils im Tagesverlauf von 0 bis 24 Uhr (vertikal). Stunden, in denen die Temperatur 26, 28 und 30 °C übersteigt, sind hellorange, orange und dunkelorange markiert. Den Auswertungen der Fälle, die in diesen Teppichdiagrammen dargestellt sind, ist ein g-Wert von 0,54 unterstellt. Zusätzlich erfolgt eine tabellarische Auswertung der integralen Jahreswerte für dieselbe Situation, aber ergänzend für den g-Werte-Bereich von 0,60 bis 0,06 für Übertemperaturgradstunden, bezogen auf 26 °C (Gh₂₆), maximale operative Temperatur (T_op,max) und Heizwärmebedarf (Q_h,b).

aktuelles Klima

Zukunftsklima

aktuelles Klima

Zukunftsklima

Mit Abb. 5 zeigt die ersten Auswertungen für Fall 1 (ohne Sonnenschutz und mit erhöhter Nachtlüftung). Die Auswertungen oben gelten für die Berechnungen unter Ansatz des aktuellen mittleren Klimas in Potsdam (TRY2010_04, Datensatz für öffentlich-rechtliche Nachweisführung zum sommerlichen Wärmeschutz in Klimaregion B) und unten für das entsprechende Zukunftsklima (TRY2045_04).

In Abb. 5 ist die Zunahme der Temperaturüberschreitungen der ausgewerteten Bezugstemperaturen deutlich zu erkennen. Hitzeperioden treten unter künftigen Klimarandbedingungen häufiger auf und dauern auch länger an. Tabelle 2 ergänzt für Fall 1 die integralen Auswertungen für die Übertemperaturgradstunden Gh₂₆, die im Raum auftretenden maximalen operativen Temperaturen T_op,max und die Heizwärmebedarfe Q_h,b. Analog zur Darstellung in Abb. 5 sind oben die Ergebnisse für das aktuelle mittlere Klima und unten die für das Zukunftsklima dargestellt. Für die ausgewiesene Größe Gh₂₆ gilt für den Anwendungsfall Wohnnutzung nach DIN 4108-2 der Anforderungswert 1.200 Kh/a. Werte, die diesen Anforderungswert einhalten, sind in grüner Text- und Zellfarbe dargestellt, Überschreitungen des Anforderungswerts in roter Text- und Zellfarbe. Die Ergebnisse oben stehen somit für die Anwendung der aktuellen öffentlich-rechtlichen Anforderungssystematik in Klimaregion B. Die Werte in der unteren Tabelle zeigen, wie sich die Übertemperaturgradstunden bezogen auf die Einhaltung der aktuellen Anforderungswerte unter Ansatz des Zukunftsklimas verändern.

Die Auswertungen in Tabelle 2 im oberen Teil zeigen, dass für den hier simulierten Raum bei mittlerem Fen­sterflächenanteil und mit Ansatz einer erhöhten Nachtlüftung unter Einsatz von Normalglas mit g = 0,60 die Anforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz nach gegenwärtiger Anforderungssystematik auch ohne Sonnenschutz rechnerisch eingehalten wären (Gh₂₆ = 1.182 Kh/a). Demgegenüber führt der Ansatz des Zukunftsklimadatensatzes für dieselbe Situation zu einer signifikanten Erhöhung des Gh₂₆-Wertes. Hierfür ist ein Wert von 2.549 Kh/a ausgewiesen. Bei einem für 3-Scheiben-Ausführung üblichen g-Wert von 0,54 wird der Anforderungswert von 1.200 Kh/a mit 1.825 Kh/a noch deutlich überschritten. Unter Ansatz des Zukunftsklimadatensatzes würde der gegenwärtige Anforderungswert ohne Sonnenschutz nur erreicht werden, wenn ein Glas mit einem g-Wert von ca. 0,47 eingesetzt wird (Gh₂₆ bei g = 0,48 von 1.260 Kh/a und bei g = 0,42 von 808 Kh/a). Im Vergleich zu einer Ausführung mit g = 0,54 erhöht sich infolge des niedrigeren g-Wertes und somit auch für die Heizzeit reduzierten solaren Wärmeeinträgen allerdings der Nutzwärmebedarf Heizen Q_h,b von 950 kWh/a auf 996 kWh/a bei g = 0,48 und auf 1.046 kWh/a bei g = 0,42. Diese Erhöhung des Heizwärmebedarfs kann vermieden werden, wenn ein Sonnenschutz zur Reduzierung der solaren Wärmeeinträge eingesetzt wird. Hierzu folgt mit Fall 3 (Abb. 7 und Tabelle 4) die Darstellung der Ergebnisse (wie zuvor, jedoch mit Ansatz eines F_C-Wertes von 0,70, was einem innen liegenden Sonnenschutz entspricht). Um zunächst jedoch die Bedeutung einer erhöhten Nachtlüftung zu unterstreichen, erfolgen mit Abb. 6 und Tabelle 3 die Auswertungen für Fall 2, wobei dieselben Randbedingungen wie bei Fall 1 unterstellt sind und lediglich auf den Ansatz einer erhöhten Nachtlüftung verzichtet wird.

Sowohl aus Abb. 6 als auch aus Tabelle 3 geht hervor, dass der Verzicht auf eine erhöhte Nachtlüftung zu einer signifikant höheren thermischen Beanspruchung führt.

Es folgen mit Abb. 7 und Tabelle 4 die Auswertungen für Fall 3. Hierbei wird im Vergleich zu Fall 1 zusätzlich ein innen liegender Sonnenschutz unterstellt (F_C-Wert 0,70).

aktuelles Klima

Zukunftsklima

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Zukunftsklima

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Zukunftsklima

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Zukunftsklima

Wenngleich ein innen liegender Sonnenschutz in Bezug auf die Reduzierung der solaren Wärmeeinträge deutlich weniger wirksam ist als ein außen liegender Sonnenschutz, zeigen die Auswertungen von Fall 3 im Vergleich zu Fall 1 (vgl. Tabelle 2), dass auch mit einem innen liegenden Sonnenschutz bereits eine nennenswerte Verbesserung erreicht werden kann. Für diesen Fall ergibt sich ein Heizwärmebedarf von 975 kWh/a. Die Erhöhung des Heizwärmebedarfs, die mit dem Einsatz eines Glases mit reduziertem g-Wert verbunden wäre, kann somit durch den Einsatz eines Sonnenschutzes vermieden werden.

Als nächstes Beispiel folgen mit Tabelle 5 Auswertungen für den Fall 4, bei dem ein hoher Fensterflächenanteil unterstellt ist (fassadenbezogen 70 %, grundflächenbezogen 35 %). Anstelle eines innen liegenden Sonnenschutzes wird hier ein außen liegender Sonnenschutz mit einem F_C-Wert von 0,30 unterstellt (z. B. ¾ geschlossener Rollladen oder Jalousie mit 45° Lamellenwinkel) und es wird zunächst von einer erhöhten Nachtlüftung ausgegangen.

Die Ergebnisse in Tabelle 5 zeigen, dass auch für den hier unterstellten hohen Fensterflächenanteil (auch für zukünftige Randbedingungen) ein guter thermischer Komfort erreicht werden kann, wenn ein wirksamer Sonnenschutz zum Einsatz kommt. Dies ist im Wesentlichen auch auf die unterstellte erhöhte Nachtlüftung zurückzuführen. Für Fall 5 wird im Vergleich zu Fall 4 auf diese erhöhte Nachtlüftung verzichtet.

Wie bereits der Vergleich der Fälle 2 und 3, zeigt auch der Verzicht auf die Nachtlüftung bei Fall 5 im Vergleich zu Fall 4, dass damit eine erhebliche Verschlechterung des thermischen Komforts verbunden ist.

Der Vergleich der mittleren und rechten Deutschlandkarte in Abb. 3 zeigt anschaulich, dass weite Teile aktuell noch gemäßigter Regionen künftig als sommerheiße Regionen zu bewerten sind und als sommerkühle Gebiete künftig nur noch vereinzelte Höhenlagen gelten. Inwiefern sich diese Veränderungen auf das thermische und energetische Verhalten von Räumen auswirken, war wesentlicher Unter­suchungsgegenstand der hier vorgestellten Studie.

Zusammenfassung

Einhergehend mit dem Klimawandel, sind deutlich häufiger auftretende und auch länger andauernde Hitzeperioden zu erwarten, was im Vergleich zu aktuellen klimatischen Verhältnissen zu einer deutlich höheren thermischen Beanspruchung führt. Gleichzeitig ist zu erwarten, dass der Energieaufwand für Heizen aufgrund auch in der kalten Jahreszeit steigenden Temperaturen um etwa 10 % fallen wird.

Eine Einbeziehung der nutzbaren solaren Wärmeeinträge muss bei der Fortschreibung der Anforderungswerte zum baulichen Wärmeschutz berücksichtigt werden, da sie einen wesentlichen Teil der anfallenden Wärmeverluste kompensieren. Ferner müssen Lösungen für den sommerlichen Wärmeschutz hinsichtlich der Wechselwirkungen mit dem winterlichen Wärmeschutz beachtet werden. Das Ziel, in der Heizzeit die nutzbaren solaren Wärmeeinträge zu maximieren und gleichzeitig im Sommer die Überwärmung zu verhindern, kann nur mit dynamischen Systemen, also beweglichen Sonnenschutzvorrichtungen, bestmöglich erreicht werden.

Insbesondere für große Fensterflächenanteile kann auch unter künftigen Klimarandbedingungen ein guter thermischer Komfort sichergestellt werden. Wesentliche Voraussetzung dafür ist der Einsatz wirksamer Sonnenschutzvorrichtungen sowie die Möglichkeit zur erhöhten Nachtlüftung. Hierdurch wird ein guter sommerlicher Wärmeschutz sichergestellt, und ein Energieaufwand für anlagentechnische Kühlung wird vermieden bzw. kann signifikant reduziert werden.

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Quellen/Literatur

[1] Ingenieurbüro Prof. Dr. Hauser GmbH, „Studie zur integralen Bewertung des sommerlichen Wärmeverhaltens – Thermischer Komfort und energetische Performance“, Berlin, Aug. 2023.
[2] Ingenieurbüro Prof. Dr. Hauser GmbH, „Anforderungssystematik nach GEG und für Effizienzhäuser – Optimierungen für eine zielgerichtete Anforderung und Förderung“, Jan. 2020.
[3] Ingenieurbüro Prof. Dr. Hauser GmbH, „Erarbeitung einer Systematik zur Neubewertung der solaren Einträge für Wohn- und Nichtwohngebäude in der öffentlichrechtlichen Anforderungssystematik“, Jan. 2021.
[4] S. Klauß und W. Kirchhof, „Entwicklung einer Datenbank mit Modellgebäuden für energiebezogene Untersuchungen, insbesondere der Wirtschaftlichkeit“, Kassel, 2010.
[5] Gebäudeenergiegesetz vom 08.08.2020 (BGBl. I S. 1728), das zuletzt durch Art. 1 des Gesetzes vom 16.10.2023 (BGBl. 2023 I Nr. 280) geändert worden ist: GEG, 2023.
[6] DIN 4108-2:2013-02 „Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 2: Mindestanforderungen an den Wärmeschutz“.
[7] Deutscher Wetterdienst, „Aktualisierte und erweiterte Testreferenzjahre von Deutschland für mittlere, extreme und zukünftige Witterungsverhältnisse“, Bonn, 2011.
[8] Deutscher Wetterdienst, „Ortsgenaue Testreferenzjahre (TRY) von Deutschland für mittlere und extreme Witterungsverhältnisse“, Bonn, 2017.
[9] M. Vukadinovic, „Auswirkungen klimatischer Veränderungen auf die Überhitzung von Gebäuden und Empfehlungen zur Begrenzung sommerlicher Übertemperaturen“, Dissertation, Universität Kassel, Kassel, 2022.

Der Autor

Dr. Stephan Schlitzberger
Studium des Bauingenieurwesens an der Universität Kassel und 2014 Promotion an der Universität Kassel. Von 2007 bis 2011 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Bauphysik der Universität Kassel. Seit 2012 Mitarbeiter des Ingenieurbüros Prof. Dr. Hauser GmbH, dort seit 2013 Geschäftsführer und seit 2015 geschäftsführender Gesellschafter.
www.ibh-hauser.de