Die richtige Dachkonstruktion für Photovoltaik

Warum Photovoltaik-Anlagen auf Umkehrdachkonstruktionen leicht zu installieren sind und auf Gründächern besonders gut funktionieren.

Photovoltaik kann auf einem Umkehrdach besser und nachhaltiger genutzt werden

Energiekrise, Materialknappheit, gestörte Lieferketten – all das macht auch vor der Baubranche nicht Halt und trifft sowohl Vermieter als auch Mieter mit voller Wucht. Trotz alledem ist der Klimawandel an vielen Stellen sicht- und spürbar.

Wie kann die Reaktion beim Thema Bauen und Wohnen aussehen? Auf der Hand liegt: Bau- und Wohnkonzepte müssen in jeder Hinsicht nachhaltiger und, schon dadurch, unabhängiger von Energiekrisen werden. Dabei gilt es, sämtliche Gebäude nach ihrem jeweiligen ökologischen Fußabdruck – über den gesamten Lebenszyklus betrachtet –  abzuwägen, die Einsatzmöglichkeiten von Lösungen und Baustoffen unter dem Nachhaltigkeitsaspekt zu optimieren und das zu nutzen, was beiden Kriterien entspricht, verfügbar ist und somit schnell und zielführend umgesetzt werden kann.

Flachdächer: Nachhaltigkeit auf ungenutzten Flächen
Kombination PV-Anlage und Umkehrdach

Einen natürlichen Ansatzpunkt gleich im doppelten Sinn stellen dabei die Nutzung von Flachdächern und vor allem als Umkehrdach konzipierte Flachdächer für die Aufstellung von Photovoltaik-Anlagen: Auf den oft ungenutzten, großen, zusammenhängenden Flächen installiert und mit ihren Solarmodulen auf die jeweils maximalen (Sonnen-)Erträge ausgerichtet, sind PV-Anlagen auf Flachdächern  eine von der Anschaffung über die Montage bis hin zur Wartung durchweg sehr preisattraktive Lösung.

Die meist vorgefertigten Systeme können grundsätzlich bei allen Flachdachtypen installiert werden. Bei der nachträglichen Installation von PV-Anlagen ist unter statischen Aspekten neben der Berücksichtigung des Eigengewichtes der Anlage und der Aufnahme von Windlasten zu prüfen, ob flächig oder punktuell aufgebaut werden soll und ob eine verankerte oder lose aufgesetzte Konstruktion sinnvoller erscheint.   

Konstruktionsalternativen

Generell besteht bei der Befestigung von Dachaufbauten aller Art die Gefahr, dass die Dachabdichtung punktuell durchdringen werden muss und so Schwachstellen erzeugt werden. Beim herkömmlichen Flachdach schützt die schon von Witterung und Temperaturschwankungen strapazierte aufliegende Abdichtung die darunter liegenden Schichten, wie Dämmung oder die Tragkonstruktion vor Feuchtigkeit und mechanischen Beschädigungen. Verankerte Konstruktionen, die meist aus Metallprofilen bestehen, erfordern daher bei der Montage präzises Arbeiten und besondere Achtsamkeit, da sie direkt auf der lastabtragenden Schicht oder der Unterkonstruktion verankert und befestigt werden müssen.

Beim Umkehrdach wird das Problem der Dachabdichtung bereits von vorn herein entschärft. Das oberhalb der Dachabdichtung angeordnet Wärmedämmsystem schützt die Abdichtung. Generell sind daher Festigkeit und Tragfähigkeit der Wärmedämmschicht unerlässlich, um Verformungen und Unebenheiten zu vermeiden. Hier kommen Spezialdämmstoffe wie XPS zur Anwendung, die für die Dämmung unterhalb der Bodenplatten von Gebäuden zugelassen sind. Umkehrdächer können so oberhalb der Dämmung mit einer Kiesschicht, mit Dachbegrünung oder sogar als befahrbares Umkehrdach ausgeführt werden.
Zudem ermöglichen sie auch die Installation von PV-Kollektoren als lose aufgesetzte Konstruktionen. Beim Umkehrdach wird die PV-Anlage auf die Dämmung gestellt und dabei durch ihr Eigengewicht gehalten oder mit Ballast beschwert und zusätzlich durch leicht herzustellende Verbindungen zwischen den einzelnen Modulen stabilisiert.

Synergien zum Gründach

Hierin zeigt sich ein schöner Synergieeffekt zum Gründach, denn mit einer entsprechenden Unterkonstruktion kann der ggf. erforderliche Ballast auch in Form von Dachbegrünungen erbracht werden. Bei einem Eigengewicht von ca. 80 – 120 kg/m² (damit vergleichbar mit einem lose verlegten Kiesbelag) kann unter Zuhilfenahme einer wannenförmigen Unterkonstruktion auf eine mechanische Befestigung verzichtet werden. Auf diese Weise werden eventuelle montagebedingte Durchdringungen und Beschädigungen von Abdichtungen von vornherein vermieden. Zugleich können alle elementaren Funktionen wie winter- und sommerlicher Wärmeschutz sowie genereller Feuchteschutz erfüllt werden und die zusätzliche Gründachnutzung zur PV-Stromerzeugung umgesetzt werden.

Besonders vorteilhafter Nebeneffekt einer Umkehrdachkonstruktion: Sie verdoppelt die Lebensdauer des Daches durch den Schutz der Dachhaut vor mechanischem und witterungsbedingtem Verschleiß. Leckagen lassen sich mühelos finden und ausbessern.

Kombination Gründach/Photovoltaik für eine höhere Energieausbeute

Steht man vor der Wahl, sich für ein Gründach oder eine PV-Anlage entscheiden zu müssen, bietet sich als Königsweg an, einfach beides miteinander kombinieren – zu dieser Empfehlung kommen jedenfalls Studien des Ökostromanbieters Polarstern mit den Forschern der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt.

Mit einer Solaranlage auf Gründächern lasse die Ausgangsleistung einer PV-Anlage auf bis zu acht Prozent steigern, bedingt „durch vielfältige Effekte wie Transpiration und Verdunstung über das Blattwerk und den Schattenwurf sowie durch die Lichtabsorption zur Photosynthese“. So würden die Umgebungstemperatur auf dem Dach und damit die Zell- und Modultemperaturen gesenkt, was wiederum deren Leistungsfähigkeit erhöht. In die gleiche Richtung wirke die staubabsorbierenden Effekt der Pflanzen: ein Gründach binde Schätzungen zufolge ca. zwei Kilogramm Feinstaub pro Jahr. Mit einem hohen Pflanzendeckungsgrad, möglichst großen Blattflächen und einer möglichst hohen Staubresistenz der ausgewählten Pflanzen würden die positiven Effekte auf die Solarleistung verstärkt und nicht zuletzt natürlich auch die Luftqualität verbessert, so die Studie von Polarstern-Projektmanager Wilhelm Oswald und der Wilhelm Büchner Hochschule zu den Auswirkungen von Gründachanlagen auf den Energieertrag von PV-Anlagen. Umgekehrt betrachtet gehen die Forscher von „staubbedingten Energieertragseinbußen in urbanen Regionen von bis zu 30 Prozent“ aus.

Ein weiterer positiver Effekt der Gründach/PV-Kombination liege in der Reflexionsfähigkeit der Pflanzen, wodurch weniger direktes Licht auf die PV-Module treffe und so der Anteil an nutzbarer Schwachlichtstrahlung erhöht werde. Laut Feldstudien ermögliche dies eine um bis zu 32 Prozent höhere Einstrahlung bei Gründächern gegenüber Kiesdächern.

Pressemitteilung und Zusammenfassung der Studie von Wilhelm Oswald, Mieterstrom-Projektleiter, und der Wilhelm Büchner Hochschule zu den exakten Auswirkungen die Dachbegrünung auf den Energieertrag der Photovoltaikanlage)

Eine Untersuchung zum Ausmaß des Kühleffekts führte auch ZinCo auf einem Versuchsdach durch um die Leistung von insgesamt drei identischen Solarmodulen zu vergleichen. Zwei davon über einer Bitumenabdichtung (auf einem hohen und einem niedrigen Befestigungsrahmen) und einem Modul auf einer extensiven Dachbegrünung. Das Versuchsdach führte neben der generellen Feststellung, dass die Module über der Bitumenabdichtung deutlich wärmer wurden als das Modul über der Dachbegrünung, zu folgendem Ergebnis: das Solarmodul über der Dachbegrünung erbrachte bei gleichen zugrunde gelegten Messbedingungen eine um immerhin 4% höhere Leistung gegenüber einem Solarmodul über einer Bitumenabdichtung.
Mehr zur Solarmessung

Als Zwischenfazit lässt sich somit festhalten:
Eine bessere Temperatur für eine höhere PV Ausbeute, weniger verstaubte Module und zugleich Regenwasserrückhalt – so geht Nachhaltigkeit in der Praxis, ganzheitlich und vom Ende her gedacht.

Auch mit Blick auf die Konstruktion ergeben sich nennenswerte Vorteile wie insbesondere eine gleichmäßigere Lastverteilung auf der Fläche, wodurch punktuelle Belastungen, wie sie zum Beispiel bei Betonteilen zur Verankerung entstehen, von vornherein vermieden werden können; nebenbei wird auch der beim Baustoff Beton viel aufwändigere Transport aufs Dach durch die alternative Dachbegrünung deutlich und im Wortsinn erleichtert.

Nachhaltige Klimaeffekte

Weitere positive Effekte von PV-Gründächern ergeben sich aus der Speicherkapazitäten der Bodenwanne, wodurch insbesondere bei Starkregen und Überflutungen die Kanalisation entlastet wird. Zugleich profitieren die zur Dachbegrünung genutzten Pflanzen vom vorhandenen Wasserspeicher. Der natürliche Wasserhaushalt wird auf diese Weise nicht zusätzlich beansprucht, die vielfach thematisierte Biodiversität wird gefördert, Pflanzen und Tiere erhalten immer knapper werdende Lebensräume zurück.

„Die Umsetzung der dezentralen Energieerzeugung hat einen großen Effekt auf Klima- und Ressourcenschutz. Neben der Energieeffizienz geht es um die Art und Weise der Energiegewinnung und -versorgung, sprich um Technologien und ihre sektorenübergreifende Vernetzung sowie um die verwendeten Materialien“, so Florian Henle, Geschäftsführer des Mieterstromdienstleisters Polarstern.

Da Dächer grundsätzlich die am wenigsten verschatteten Gebäudeteile darstellen, sind Kombinationen aus Flach- und Umkehrdächern mit PV-Anlagen sowohl unter energetischen, als auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten erste Wahl. Je größer dabei die Fläche, je besser der Sonneneinfallwinkel und je einfacher die Montage, desto wirtschaftlicher und effizienter gestaltet sich das PV-System.

Quellen zum weiterlesen:

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