Hinterlüftung in Maßen

Ein warmer, windstiller Sommertag in Süddeutschland, sagen wir in der Nähe des Bodensees. Auf einer kleinen Anhöhe steht ein altes Bauernhaus, gerade frisch saniert. Familie Huber sitzt im Garten unter dem schattigen Walnussbaum bei Kaffee und Kuchen. Auf dem Süddach des Wohnhauses funkelt die Solaranlage, die kristallinen Zellen elegant eingepasst in das neu gedeckte Dach. Die Anlage sollte nun eigentlich Höchstleistung erbringen, so schön scheint die Sonne vom wolkenlosen Himmel. Doch die Module kommen ganz schön ins Schwitzen. 80 Grad zeigt das Thermometer, das die Oberflächentemperatur misst. Und mit jedem Grad steigender Temperatur sinkt die Leistung der Module. Zum Glück ist die beschriebene Anlage rein fiktiv. So könnte der Worst Case aussehen – der Dachdecker hat die Anlage in diesem Szenario sehr dicht, mit nur zweieinhalb Zentimeter Abstand zur Dämmschicht eingebaut, und zwar so, dass die Luft hinter der Modulebene stagniert, sie die gestaute Wärme also nicht abführen kann.
In die Dachhaut integrierte Solarsysteme werden gerne verdächtigt, Leistungseinbußen von fünf bis acht Prozent im Vergleich zu frei aufgestellten Anlagen zu verursachen. Richtig ist, dass Systeme ohne Hinterlüftung an warmen, windstillen Tagen heißer werden als solche, bei denen ein Luftzug die Wärme auch auf der Modulrückseite abtranspor tiert. Aber: „Wenn Indachmodule ausreichend hinterlüftet sind, gibt es keine Einbußen im Ertrag“, sagt Heinz Hullmann, Leiter der Fachgruppe Building Integrated Photovoltaics (BIPV) beim Bundesverband Bausysteme in Koblenz. Im Bauwesen sind vier bis fünf Zentimeter für die Hinterlüftung von Dachziegeln ein übliches Maß. Hierbei geht es lediglich darum, Feuchtigkeit abzuführen. Beim Solarsystem aber soll Wärme abgeführt werden, und die folgt anderen Regeln. Was kann also eine Hinterlüftung für den Abtransport der Wärme leisten? Diese Frage sollte man sich stellen, wenn man die Werbebotschaften vieler Hersteller von dachintegrierten Systemen liest, die von der guten Hinterlüftung ihrer Sys teme schwärmen und maximale Leistung ihrer Module versprechen.
Wie viel Wärme über einen Spalt zwischen Modulrückseite und Unterkonstruktion, zum Beispiel einer Wärmedämmschicht, abgeführt werden kann, hängt von mehreren Faktoren ab. Zum einen nutzt man die Tatsache, dass warme Luft nach oben steigt. Der sogenannte Kamineffekt funktioniert umso besser, je steiler ein Dach ist. „Sinkt die Dachneigung unter 20 Grad, nimmt sowohl die Auftriebswirkung der warmen Luft als auch der unterstützende Windangriff rapide ab“, weiß Aerodynamiker Rolf-Dieter Lieb, Geschäftsführer des Instituts für Industrieaerodynamik in Aachen (siehe auch Infokasten Seite 97).

Platz zum Atmen

Zum anderen braucht die Luft Platz, damit sie im Zwischenraum ungehindert strömen kann. Je größer der Spalt zwischen Modulrückseite und Unterkonstruktion ist, umso mehr Luft durchströmt ihn und umso mehr Wärme wird dabei abgeführt. Aus Erfahrung plädiert Beat Kämpfen für einen Hinterlüftungsspalt von zehn Zentimetern Höhe. Der Schweizer Architekt aus Zürich hat bereits mehrere preisgekrönte Gebäude mit photovoltaischer Dachdeckung gebaut. „Ganz wichtig, das vernachlässigen die meisten großen Anbieter: Auch oben muss das Dach offen sein“, fügt der Architekt hinzu. Denn auch der größte Lufteinlass an der Unterkante des Daches nützt wenig, wenn die warme Luft am First nur durch kleine Öffnungen herausströmen kann. Von unten bis oben sollte ein Luftspalt mit gleichmäßigem Querschnitt und möglichst ohne Hindernisse gegeben sein, erklärt Aerodynamiker Rolf-Dieter Lieb. Verlaufen in der zehn Zentimeter hohen Hinterlüftungsebene beispielsweise vier Zentimeter hohe Querlatten, dann könne man nur mit sechs Zentimetern Lüftungshöhe rechnen. Auch Lüftungsgitter verringern den Luftdurchlass.
Angenommen, die Handwerker hätten bei der Dachsanierung für Familie Huber am Bodensee einen zehn Zentimeter hohen Zwischenraum zwischen Dachdämmung und Modulrückseite hergestellt, dann wäre die Modultemperatur an diesem warmen Sommertag deutlich niedriger ausgefallen. Die Module wären höchstens 29 Grad heißer als die umgebende Luft, 26 Grad weniger als im Eingangsszenario beschrieben. Dann würde die dachintegrierte Solaranlage fast so viel Strom produzieren wie eine Aufdachanlage am selben Standort. Übers Jahr gerechnet würde die Minderung nicht einmal ein Prozent betragen.

Hinterlüftung simulieren

Das haben Simulationsrechungen der Fachhochschule Bielefeld ergeben (siehe Grafik). Die Rechnungen zeigen auch, dass Module einer aufdachmon tierten Anlage selbst unter besten Bedingungen, also mit sehr großem Abstand zur Dachhaut, im Jahresmittel bereits 1,8 Prozent weniger Strom produzieren als frei aufgestellte, luftumspülte Module. Also selbst mit 15 Zentimetern Abstand zum Gebäude wird die Referenzanlage bis zu 53 Grad heiß, sechs Grad heißer als im Freiland.
Eine ins Dach integrierte Anlage ohne Lüftungsöffnungen, wie die der Familie Huber aus dem Eingangsszenario, verliere dagegen etwa 5,4 Prozent der jährlichen Erträge im Vergleich zum Freiland, 3,6 Prozent gegenüber der Aufdachanlage mit dem großen Abstand und immer noch etwa 3,3 Prozent gegenüber einer Aufdachanlage mit gängigen acht Zentimetern Abstand zum Dach. Diese 3,3 Prozent Ertragseinbuße kann der Planer weiter verringern, indem er in einem mehr oder weniger großen Spalt Luft hinter die integrierten Module strömen lässt.

Luftabfuhrmenge entscheidet

Die Ergebnisse der Bielefelder Simulationsrechnungen hält Rolf-Dieter Lieb aus thermodynamischer Sicht für realistisch. Was unterschiedliche Hinterlüftungsquerschnitte konkret bewirken, hat der Aerodynamiker für unsere Modellanlage vom Bodensee grob überschlagen. Damit verdeutlicht Lieb, in welcher Größenordnung sich die Temperatur absenken lässt: Bei einer durchgängigen Spalthöhe von 15 Zentimetern werden an einer sechs Meter hohen Anlage durch den Auftrieb etwa 2.200 Kubikmeter Luft pro Stunde abtransportiert. Dadurch sinke die Spitzentemperatur an den Modulen um knapp vier Grad. Selbst ein Spalt von zehn Zentimetern werde noch mit rund 1.500 Kubikmetern pro Stunde durch strömt, was in etwa zweieinhalb Grad Temperaturunterschied ausmacht. Mit fünf Zentimetern Hinterlüftung seien nicht mehr als ein bis zwei Grad Senkung herauszuholen.
Diese Werte beziehen sich auf den thermisch betrachtet problematischsten Fall: eine hohe Umgebungstemperatur, eine hohe Sonneneinstrahlung bei gleichzeitiger Windstille. Sobald aber der Wind weht, entspannt sich die Situation. Luft streicht über die Module, dadurch kühlt sich die Anlage an der Oberfläche viel stärker ab, als die reine Hinterlüftung das je schaffen könnte. Norddeutschland sei deshalb ein optimaler Standort für dachintegrierte Anlagen, meint Lieb, weil dort auch im Sommer der Wind fleißig weht. Dadurch gibt es praktisch keine Überhitzungsprobleme am Modul.

Nicht übertreiben

Bei der Planung der Hinterlüftungsräume sollte man allerdings die Angemessenheit der Mittel nicht aus den Augen verlieren. Denn selbst einen Zwischenraum von zehn Zentimetern für den Luftstrom hinter den Modulen zu schaffen ist nicht in jedem Gebäude ohne weiteres machbar.
Wer neu baut oder sein Dach komplett saniert, kann diesen Platz meist mit einplanen. Doch je nach Dachform sind der Hinterlüftung konstruktiv Grenzen gesetzt. „Beim Pultdach ist das kein Problem, aber beim Satteldach sieht es schwieriger aus“, gibt Architekt Beat Kämpfen zu bedenken. Denn eine breite Öffnung am First muss schließlich auch gegen eindringendes Regenwasser gesichert werden.

Lüften im Ausland

In Frankreich werden die meisten Anlagen in bestehende Dächer eingebaut. Das hat Konrad Fredrich bei seinen Reisen zum Zielmarkt beobachtet. Dort boomt die Indachsparte, weil die französische Regierung eine besonders hohe Vergütung für Strom aus kleinen, dachintegrierten Anlagen festgesetzt hat. Dem Projektentwickler des Berliner Modulherstellers Solon war die niedrige Aufbauhöhe des Indachsystems ein besonderes Anliegen. Die 27 Millimeter flachen, kunststoffgerahmten Module bilden eine wasserdichte Dachhaut. Um die Drei-Kilowatt-Anlagen besser zu belüften als das Vorgängermodell, hat Solon sich das Know-how vom Dachfensterspezialisten Velux hinzugeholt. Ein umlaufendender Metallrahmen mit Lüftungsschlitzen unten und oben soll das Modulfeld zukünftig hinterlüften, unabhängig davon, wie viel Luft im Unterdach zirkuliert.
Wie das Prinzip in der Realität funktioniert, wird nun getestet. Seit Mai führen Fredrich und seine Kollegen Messungen an zwei Versuchssystemen auf dem Firmengelände in Adlershof durch. Beide Anlagen sind in ein Ziegeldach mit Mineralwolldämmung eingebaut. Aus den Daten, die von Anfang Mai bis Ende Juli erhoben wurden, haben die Entwickler hochgerechnet, dass die Indachanlage im Schnitt nur etwa zwei bis drei Prozent weniger Strom produziert als die Aufdachanlage, die mit den gleichen Modulen bestückt ist und sich sechs Zentimeter über den Ziegeln befindet.
Auch die fränkische Firma Roto baute vier Vergleichsanlagen auf. Über das Jahr gerechnet ergaben die Messungen bei Roto Ertragseinbußen von lediglich einem bis anderthalb Prozent beim sogenannten Sunroof im Vergleich zur Aufdachmontage. Die Werte aus Berlin und dem fränkischen Bad Mergentheim decken sich in etwa mit den Simulationsrechnungen der FH Bielefeld. Diese gehen bei einer mittelmäßigen Hinterlüftung von einigen Zentimetern Höhe von zwei Prozent Ertragsminderung aus.
Doch längst nicht alle Firmen haben die Temperaturentwicklung ihrer Indachsysteme bereits überprüft. Wie schwer es ist, sich dem Problem mit qualitativen Methoden zu nähern, zeigt etwa das Beispiel des Ziegelherstellers Creaton.
Dessen Indachsystem besteht aus Modulen, die auf einem Blech angebracht werden. Sie werden schindelartig wie Ziegelsteine verlegt. Dadurch kommt es zwar wie in jedem Dach zu einer Hinterlüftung der Bleche. Die Frage ist aber nicht, wie viel Wärme vom Blech, sondern wie viel Wärme tatsächlich vom Modul abgeführt wird.
Zwischen Blech und Modul befindet sich ein Zwischenraum. Der Hersteller gibt an, dass bei jedem Ziegel durch diesen Zwischenraum Luft in die Hinterlüftungsebene des Daches eingesaugt wird. Jetzt mag man bezweifeln, ob die Luftmenge durch den schmalen Spalt ausrei chend kühlt, vor allem weil vermutlich im oberen Teil des Dachs der Saugeffekt deutlich geringer ist als im unteren Teil. Andererseits gibt es aber auch einen Wärmeaustausch durch Strahlung zwischen Modul und Blech, so dass auch darüber Wärme vom Modul zur strömenden Luft in der Hinterlüftungsebene hinter dem Blech geführt werden kann. Das ist aber schwierig abzuschätzen, vor allem bei reflektierenden Blechoberflächen (siehe Kasten).
Die Konzernmutter Etex startet nun ein Monitoring. Mit den Ergebnissen rechnet Mario Meerschaut, Produktmanager für die Solardachsteine in Belgien, nicht vor Mitte nächsten Jahres. Dabei ist der Solardachziegel ästhetisch betrachtet sicherlich eines der interessantesten Produkte am Markt. Die Module fügen sich exakt in die Maße verschiedener Ziegeltypen aus dem Creaton-Sortiment ein und führen so die Struktur der Ziegeleindeckung fort, was besonders bei schwarzen Dachsteinen zu einem homogenen Erscheinungsbild führt. Man könnte also auf die Idee kommen, eine kleine Ertragseinbuße zu riskieren.

Ästhetik punktet

Denn damit ein photovoltaisches System auch architektonischen Ansprüchen genügen kann, muss es vom Format her auf die Dachfläche passen und so wasserdicht sein wie ein Ziegeldach. Dann erfüllt das Material mehrere Funktionen und kann doppelt nützlich sein. „So sieht die Zukunft aus“, meint auch Architekt Beat Kämpfen, „Photovoltaik anstelle von Ziegeln, nur das macht Sinn.“ Der Dachdecker wird solche Systeme bald genauso schnell montieren, wie er eine Ziegeleindeckung verlegt. Gerade bei Neubauprojekten oder bei der Dachsanierung können dadurch auch Kosten über die Arbeitszeit eingespart werden.
Wenn dann noch die Hinterlüftung funktioniert, steht dem Bauteil der Zukunft nichts mehr im Wege. „Sicherlich wären 15 oder gar 20 Zentimeter optimal“, gibt Lieb zu bedenken. „Doch jede Hinterlüftung ist gut für die Module, sogar wenn der Querschnitt nur fünf Zentimeter ausmacht“, relativiert er schließlich. Denn der Aachener Aerodynamiker sieht noch andere Vorteile einer hinterlüfteten Photovoltaikanlage: „Ganz nebenbei reduziert die Hinterlüftung auch die Windbelastung der Module auf etwa die Hälfte gegenüber einem nicht hinterlüfteten Einbau.“

Die Erwärmung dachintegrierter Photovoltaikanlagen sorgt immer wieder für Diskussionen, da bekanntermaßen alle Module zu mehr oder weniger Leistungseinbußen bei Erwärmung neigen. Dabei sind besonders die Sommermonate mit hoher Einstrahlung bei hoch stehender Mittagssonne und eher geringer Windwahrscheinlichkeit für die Anlagen kritisch. Erwärmungen in der Größenordnung von 30 Kelvin über Außentemperatur, also auf 60 Grad Celsius und darüber, sind keine Seltenheit.
Befürworter der Indachmontage führen dazu ins Feld, dass hohe Erträge maßgeblich von einer guten Hinterlüftung abhängen. Dem ist durchaus zuzustimmen, auch wenn man die Größenordnungen einmal ins rechte Licht setzen sollte.
Den größten Anteil an der Wärmeabgabe der Photovoltaikmodule stellt in der Regel der konvektive Wärmeübergang an der Oberseite dar. Die Luft, die über die Moduloberfläche streicht, kühlt die Module ab. Dieser Luftstrom entsteht sogar ohne Wind, allein durch die aufsteigende warme Luft an der Dachschräge. Bei Wind verdoppelt sich der Kühlungseffekt im Vergleich zur Windstille.
Der thermische Auftrieb der Luft, der sogenannte Kamineffekt, hängt aber auch vom Winkel der Dachneigung ab. Sehr gut funktioniert er auf Dächern ab 30 Grad Neigungswinkel. Sinkt der Anstellwinkel aber unter 20 Grad, nimmt sowohl die Auftriebswirkung der warmen Luft als auch der unterstützende Windangriff rapide ab.
Grundsätzlich gilt dies auch für die Strömung in der Hinterlüftung einer dachintegrierten Photovoltaikanlage. Bei der Hinterlüftung spielt der Wind sogar eine geringere Rolle. Zuerst einmal geben die Module Wärme an die darunterliegende Konstruktion ab. Wenn es sich um ein gedämmtes Dach handelt, also an die Dämmschicht. Dabei sind aluminiumbeschichtete Folien auf der Dachseite kontraproduktiv, wird doch dadurch der größte Teil der Strahlungswärme auf die Module zurückgeworfen. Natürlich verbessert das die Dämmung des Daches nach innen, aber die Aufheizung der Photovoltaikanlage steigt.
Mineralfaserdämmung oder Windsperren aus nicht mit Metalldampf beschichteten Folien sind hingegen sogar günstig für die Photovoltaikanlage, da nun diese Oberflächen am Wärmeaustausch mit der Hinterlüftung teilnehmen und damit die wärmeabgebende Fläche zur Luft im Hinterlüftungsspalt fast verdoppeln.
Ist die Wärme erst einmal in der Luft des Hinterlüftungsspaltes, erhält diese wieder thermischen Auftrieb, der Kamineffekt greift, und es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen den Auftriebskräften der erwärmten Luft und den Strömungswiderständen der Durchströmung ein. Bauphysiker kennen diese Vorgänge aus dem Bereich der doppelschaligen Fassaden und hinterlüfteten Fassadenbekleidungen.
Analysiert man aber die Hinterlüftungswirkung, so stellt man fest, dass mit den üblichen fünf Zentimetern Hinterlüftungsspalt bei mehreren Metern Anlagenhöhe nur wenig anteilige Wärmeabfuhr zu erreichen ist. Bei einem Spalt von fünf Zentimetern hinter einer drei Meter hohen Anordnung von Paneelen liegt der Anteil der Wärmeabfuhr durch die Hinterlüftung an der gesamten Wärmeabfuhr nur bei rund zwei bis drei Prozent der abgegebenen Wärme. Verdoppelt man den Spalt, führt man immerhin vier bis fünf Prozent der überschüssigen Wärme ab. Erst ab 15 Zentimetern Belüftungshöhe erreicht man Anteile von sechs bis zehn Prozent.

Rolf-Dieter Lieb, Institut für Industrieaerodynamik in Aachen