Arbeitskreis Thermische Solartechnik
& Photovoltaik im Verein Sonnenernte e.V.

Der AK Solarthermie & Photovoltaik informiert:

Photovoltaik - und Gebäude liefern Strom

Am Anfang steht die Planung

Photovoltaik lässt sich auf Altbauten nachträglich installieren und in Neubauten integrieren. Für beide Fälle gibt es einige Besonderheiten zu beachten. Die meisten Photovoltaik-Anlagen werden auf bestehenden Gebäuden im Zuge einer Sanierung bzw. Modernisierung errichtet. Große Flächenpotenziale für die Gebäudeintegration von Solartechnik liegen im Bereich der Alltagsarchitektur. Hier können Wohnsiedlungen aber auch Industrie- und Gewerbegebiete eine energietechnische wie auch baukulturelle Aufwertung erfahren.

Beim Neubau sollte der Fachplaner der Photovoltaik-Anlage möglichst frühzeitig mit dem Architekten sprechen. So kann die Anlage sowohl architektonisch in den Gebäudeentwurf integriert als auch energetisch-technisch optimiert werden. Wird der Fachplaner zu spät hinzugezogen, werden oft suboptimale Lösungen erreicht – mit zu geringen Energieerträgen oder unnötigen Zusatzkosten für spezielle Anpassungsdetails.

Wie viel Energie liefert die Sonne?

Die Solarstrahlung auf der Erde setzt sich aus einem diffusen und einem direkten Anteil zusammen. An klaren Tagen überwiegt die direkte Strahlung, die ohne Ablenkung aus Richtung der Sonne ankommt und scharfe Schatten wirft. Bei bedecktem Wetter hingegen, wenn die Sonne am Himmel nicht sichtbar ist, wird das Sonnenlicht zumeist in den Wolken oder im Nebel, aber auch in Dunst-, Ozon- oder Staubschichten gefiltert und abgelenkt. Es trifft dann nahezu vollständig als diffuse Strahlung ohne vorgegebene Richtung auf. Die Strahlungsintensität kann dadurch auf Werte unter 100 W pro m² sinken. Die Zusammensetzung und die Intensität der Solarstrahlung wird vom Wetter, aber auch von der Jahreszeit, der Tageszeit und von der geographischen Breite beeinflusst. In Deutschland überwiegt in der Jahresbilanz die diffuse Sonneneinstrahlung gegenüber der direkten Strahlung mit ca. 60 : 40. Solaranlagen nutzen direktes und diffuses Sonnenlicht.
Summiert man den Energiegehalt der direkten und diffusen Solarstrahlung aller Sonnenstunden über ein Jahr, erhält man die jährliche Sonneneinstrahlung, die so genannte Globalstrahlung in Kilowattstunden pro m² Fläche und Jahr. Dieser Wert ist regional sehr unterschiedlich und wird für die horizontale Fläche angegeben. In den heißen Wüstengebieten erreicht sie Werte bis 2.500 kWh/m² im Jahr, während in Deutschland mit einer jährlichen Sonneneinstrahlung von 900 bis 1.200 kWh/m² gerechnet werden kann. Es ist ein Nord-Süd-Gefälle erkennbar, aufgrund des Mikroklimas treten jedoch lokale Unterschiede auf, z. B. in einigen Regionen Ostdeutschlands. In unseren Breiten entfällt mehr als drei Viertel der eingestrahlten Sonnenenergie auf das Sommerhalbjahr von April bis September.

Sind Standort und Gebäude geeignet?

Wichtig für die Wahl des Standortes für den Solargenerator ist die Ausrichtung der Fläche zur Sonne und eine möglichst verschattungsfreie Fläche. Bei bestehenden Gebäuden ist die Wahl des Standortes schon von vornherein auf die Dach- und Fassadenflächen eingeschränkt. Ein Flachdach bietet meist noch sämtliche Freiheiten, während z. B. ein Nord-Süd-Giebelhaus nur eine Ost- und Westdachfläche und eine Südfassade anbietet. Um die Flächen in ihrer Ausrichtung einschätzen zu können, wird die Einstrahlungserhöhung bzw. -minderung bei verschieden geneigten Flächen benötigt. Wenn eine Fläche senkrecht zur bevorzugten Einfallsrichtung der Sonnenstrahlung steht, trifft auf sie eine höhere Einstrahlungsleistung. Da sich der Sonnenstand im Laufe eines Tages und auch während des Jahres ändert, variiert der Einfallswinkel der Solarstrahlung ständig. Um abzuschätzen, ob bestimmte Dachflächen für die Nutzung der Sonnenenergie geeignet sind, müssen die Einstrahlungsverhältnisse über das ganze Jahr betrachtet werden. Als Hilfsmittel dienen hierfür Einstrahlungsdiagramme, aus denen die Jahreseinstrahlung für jede beliebige Ausrichtung und Neigung einer Fläche abgelesen werden kann.

Die maximale Einstrahlung über das Jahr erhalten wir in Deutschland auf Süddächern mit ca. 30-35° Neigung. Etwa 10% beträgt der Einstrahlungsgewinn gegenüber einer horizontalen Fläche. Noch dazu lagern sich auf horizontalen Flächen Staub, Schnee und Laub ab. Nur durch regelmäßiges Reinigen kann die Anlage vor größeren Verlusten bewahrt werden. Bei Flächen, die mehr als ungefähr 12° geneigt sind, ist der Selbstreinigungseffekt durch den Regen und die Schwerkraft ausreichend, so dass auf ein manuelles Reinigen verzichtet werden kann.

Licht und Schatten in Bewegung

Neben einer günstigen Ausrichtung ist auch ein möglichst schattenfreier Standort eine Grundvoraussetzung für einen guten solaren Energieertrag. Dabei ist zu beachten, dass die Sonne und damit alle Schatten im Tages- und Jahresverlauf wandern. Nachbargebäude, Bäume aber auch weiter entfernte hohe Gebäude können die Anlage verschatten oder zumindest zur Horizontverdunklung führen.

Besonders negativ wirken nahe Schatten, z. B. Freileitungen, die über das Haus führen und die einen schmalen, aber wirksamen wandernden Schatten werfen. Je näher ein Schatten werfendes Objekt ist, umso kritischer ist seine Wirkung. Zu achten ist insbesondere auf Schornsteine, Antennen, Blitzableiter, Satellitenschüsseln, Dach- bzw. Fassadenvorsprünge, versetzte Baukörper, Dachaufbauten usw.

Beim Neubau und in der Sanierung bieten sich gute Chancen, mit der Phovoltaik das Erscheinungsbild, die energetische Performance und sogar den Raumkomfort von Gebäuden aufzuwerten. Hierfür müssen bauphysikalische, energetische und solartechnische Aspekte schon von Anfang an bedacht werden. Für die technische Planung und Installation der Photovoltaik-Systeme schließlich stehen technisch oder ästhetisch hochwertige Komponenten, spezielle Befestigungssysteme und rationelle Montagesysteme zur Verfügung. Solarmodule können eigentlich überall an Gebäuden montiert oder integriert werden: Auf Schrägdächern, Flachdächern, in Lichtsheds oder Überkopfverglasung, in Sonnenschutz- oder Verschattungselementen etc.

Am häufigsten werden Photovoltaik-Anlagen auf schrägen Dächern montiert – neuerdings auch vermehrt auf Flachdächern. Hierfür gibt es eine Vielzahl von Standard-Montagesystemen. Alle anderen oben genannten Integrationsformen entstehen meist als Architekturlösungen. Oft noch werden Solaranlagen mit einer Metallunterkonstruktion zusätzlich zur Dachhaut oder Fassadenverkleidung am Gebäude befestigt – am ausgeprägtesten wird dies bei der Auf-Dach-Montage auf schrägen Dächern sichtbar. Bei den integrierten Systemen werden Bauteile des Daches oder der Fassade durch Solarmodule komplett ersetzt. Die Photovoltaik-Anlage wird so zum unverzichtbaren Bestandteil der Gebäudehülle, denn die Solarmodule sind zugleich die regendichte Hülle des Gebäudes (z. B. bei der In-Dach-Montage). Erst mit solchem Mehrfachnutzen können Photovoltaik-Anlagen ihre Möglichkeiten voll ausspielen.

Montage auf dem Dach

Dächern eignen sich gut für die Montage von Photovoltaik-Anlagen. Als oberer Gebäudeabschluss bietet das Dach eine große zusammenhängende Fläche und ist aufgrund seiner exponierten Lage der Ort von Gebäuden, der am ehesten verschattungsfrei ist. Neben den traditionellen Aufgaben wie Wetter- und Wärmeschutz kann das Dach auch solaraktive Flächen aufnehmen. Die „Dachlandschaft“ wird sich in Zukunft stark verändern, insbesondere in Bezug auf Materialien und Erscheinungsbild.

Konstruktionen für das Schrägdach: Auf-Dach-Lösung

Schrägdächer sind in der Regel als Kaltdach ausgeführt, das bedeutet die Dachkonstruktion ist belüftet und besteht aus folgenden Schichten:
Die Wärmedämmung kann unter, zwischen oder auf den Sparren verlegt sein. Befindet sich die Dämmung auf den Sparren, können keine Standard-Montagesysteme eingesetzt werden. Spezielle Befestigungsziegel sind hier die Alternative. Auf-Dach-Systeme haben den Nachteil, dass alle Bauteile einschließlich der Befestigungen, elektrischen Anschlüsse und Kabel der Witterung ausgesetzt sind. Ein Pluspunkt wiederum ist die freie Hinterlüftung der Module, die sich positiv auf den Energieertrag auswirkt

Welches Montagesystem?

Beim Nachrüsten von Photovoltaik-Anlagen auf bestehenden Dächern ist die Auf-Dach-Montage in der Regel die kostengünstigste Variante, denn der Montage- und Materialaufwand ist gering. Die vorhandene Dacheindeckung bleibt erhalten und bildet weiterhin die regendichte Gebäudehülle. Mittels einer Unterkonstruktion aus Metall werden die Solarmodule so auf dem Dach befestigt, dass ein ausreichender Abstand zwecks Hinterlüftung verbleibt. Die Unterkonstruktion wird meist als Montagesystem bezeichnet. Es besteht aus dem Schienensystem, Befestigungselementen, um die Module auf den Schienen zu fixieren, und aus speziellen Dachbefestigungen, die das Gestell mit der Dachkonstruktion verbinden. Hierfür werden meist Dachhaken verwendet, die entweder auf den Sparren oder an der Lattung festgeschraubt oder eingehängt werden. Dachhaken gibt es für alle üblichen Dachsteine und Dachziegel. Die Dachhaken sollten so befestigt werden, dass sie nicht auf den Dachsteinen aufliegen, da diese sonst durch mechanische Belastung beschädigt werden können. In welchem Abstand und wie viele gesetzt werden, hängt vom Montagesystem und den statischen Erfordernissen ab. Seltener werden Befestigungsziegel verwendet, bei denen die Halterung in einen Spezialziegel integriert ist. Sie werden wie normale Ziegel oder Betondachsteine verlegt und zusätzlich mit der Lattung verschraubt. Zur Befestigung auf Metalldächern (Stehfalzdächer), wie sie oft auf Industriebauten zu finden sind, gibt es spezielle Klauen, die an den Falzstegen festgeklemmt werden.


Auf den Dachhaken bzw. Befestigungsziegeln oder -klauen werden dann die Montageschienen je nach System horizontal und/oder vertikal montiert. Durch geeignete Distanzstücke oder verstellbare Dachhaken lässt sich die Gestellhöhe variieren und Unebenheiten im Dach können so ausgeglichen werden. Mit passenden Schrauben, Klemmhaltern, Haken oder Klipps werden die Module auf den Schienen befestigt.

Mehr zu Statik, Wind und Schnee, zu Konstruktionen für die architektonisch interessante In-Dach-Montage, zu Solardachziegeln und Lösungen für Flach-, Licht- und Sheddächern sowie zu den vielfältigen Fassadenlösungen finden Sie sehr ausführlich und detailreich erläutert in dem BINE-Informationspaket „Photovoltaik – Gebäude liefern Strom“.

Text: http://www.bine.info/templ_meta.php/publikationen/buecher/346/link=clicked/

Weitere Infos: AK Solarthermie & Photovoltaik Rhein – Neckar im Verein Sonnenernte e.V. 
Tel. 06227-8717214 oder besser unter der E-Mail sonnenernte@online.ms


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