Bauphysikalische Grundlagen

Die Sonne liefert kostenlos mehr Energie auf die Erdoberfläche, als die Menschheit jemals verbrauchen kann. In nur einer Stunde schickt sie uns einen Energiebetrag, der dem Jahresbedarf der gesamten Weltbevölkerung entspricht. Nur etwa 0,1 % davon werden durch Photosynthese in Form von Biomasse in Pflanzen gespeichert. Sonnenlicht ist essentiell für die Gesundheit des Menschen. Im Winter trägt die Sonne mit ihrer Einstrahlung über transparente Fenster- und Fassadenflächen zur Raumheizung bei.

Nicht zuletzt durch die immer grösseren Glasflächenanteile der modernen Architektur ist jedoch die sommerliche Überhitzung von Gebäuden auch in unseren Breitengraden zum Thema geworden. Zu hohe Raumtemperaturen bringen uns aus der Komfortzone, in zu warmen Büroräumen lässt die Leistungsfähigkeit rapide nach. Während der sommerlichen Hitzeperioden laufen in Fahrzeugen, Objektbauten und zunehmend auch in privaten Gebäuden die Klimaanlagen auf Hochtouren. Der hohe Energieverbrauch der Klimaanlagen bei vergleichsweise schlechten Wirkungsgraden befeuern den Klimawandel weiter. Dieser wiederum ist Ursache für immer häufigere Hitzeperioden im Sommer und zunehmend heftigere Wetterereignisse – ein Teufelskreis. Da die Sonne tagsüber für kostenlose Beleuchtung sorgt, darf sie zum Schutz vor Überhitzung nicht einfach ausgeblendet werden. Sonst wäre tagsüber künstliche Beleuchtung notwendig, was auch aus Gründen der Energieeffizienz unerwünscht ist. Klimagerechtes Bauen erfordert Kenntnis der Wechselwirkungen von Sonneneinstrahlung und Glas. Mit ihrer selektiven Verschattung leisten Sonnenschutzgäser einen wichtigen Beitrag zum sommerlichen Wärmeschutz.

Dieses Kapitel behandelt die strahlungstechnischen Grundlagen zu den Themen Sonnenschutz und sommerlicher Wärmeschutz und erläutert die wichtigsten sonnenschutztechnischen Kenngrössen.

Elektromagnetische Wellen sind Schwingungen von elektrischen und magnetischen Feldern. Die Schwingung erfolgt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (Transversalwellen*). Zu ihrer Fortbewegung benötigen elektromagnetische Wellen kein Medium, sie durchdringen auch ein Vakuum.

*) Anmerkung: Im Gegensatz zur transversal (quer) schwingenden elektromagnetischen Strahlung schwingt Schall in Luft längs, in Ausbreitungsrichtung (Longitudinalwelle). Ausserdem benötigen Schallwellen zur Ausbreitung ein Medium (Kapitel Schall).

Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung wird nach Wellenlängen unterteilt. Das sichtbare Licht umfasst dabei nur einen winzigen Bereich aus dem Gesamtspektrum. Für den Rest des elektromagnetischen Spektrums ist das menschliche Auge blind, zu seiner Erforschung benötigt der Mensch Sensoren und Hilfsmittel.

Infrarot-Strahlung (IR) ist für den Menschen unsichtbar. Ihr Wellenlängenbereich geht von 780 nm (nahes Infrarot) bis 1,0 mm (fernes Infrarot). IR-Strahlung durchdringt Dunst und Nebel besser als sichtbares Licht. Deshalb kann man mit infrarotempfindlichen Filmen auch dann fotografieren, wenn „die Sicht fehlt“. Thermografie-Aufnahmen mit einer Infrarotkamera machen Wärmeverluste an Gebäuden sichtbar.

Licht bezeichnet den für Menschen sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums zwischen ca. 380 und 780 nm. Die Farbe wird von der Wellenlänge bestimmt. Die Grenzen zu IR und UV sind nicht scharf, die Empfindlichkeit des menschlichen Auges nimmt im Randbereich allmählich ab.

Der Mensch kann im Bereich der ultravioletten Strahlung (UV) nicht sehen, aber einige Tiere, insbesondere Insekten, sehen auch im UV-Bereich. Manche für uns unscheinbare weisse Blüten sind für Insekten sehr attraktiv. UV- Strahlung ist kurzwelliger und energiegeladener als Licht. Der Wellenlängenbereich geht von 380 bis 1 nm und wird in UV-A, der direkt an den sichtbaren Bereich angrenzt, UV-B und UV-C unterteilt.

Strahlung unterhalb 200 nm, wie die Röntgen- und die Gammastrahlung, ist so energiegeladen, dass sie Elektronen aus Atomen oder Molekülen lösen kann. Sie ist ionisierend und deshalb für den Menschen und andere Organismen gefährlich. Glücklicherweise schirmt die Erdatmosphäre alle Sonnenstrahlung unterhalb von 300 nm Wellenlänge ab.

Das Spektrum der auf die Erde auftreffenden Sonnenstrahlung reicht von UV über sichtbar bis zum mittleren Infrarot, von ca. 300 bis 2.500 nm. Dabei wird das komplette Strahlungsangebot der Sonne auf dem Weg durch die Erdatmosphäre durch Absorption und Streuung reduziert. Es muss deshalb zwischen der extraterrestrischen Sonnenstrahlung (ausserhalb der Erdatmosphäre) und der Einstrahlung an der Erdoberfläche unterschieden werden.

Die Strahlungsleistung, die auf die Erdoberfläche auftrifft, ist vor allem vom Sonnenstand abhängig, d. h. von der Jahres- und Tageszeit. An klaren Sommertagen erreichen die Sonnenstrahlen in der Schweiz um die Mittagszeit eine Strahlungsleistung von bis zu 1000 W/m2. Um die Zeit der Wintersonnwende Ende Dezember beträgt die Strahlungsleistung bei trübem Wetter nur etwa ein Fünftel davon.

(Quelle: Wikimedia Commons)

*) Anmerkung: Der ideale Wärmestrahler ist der theoretische „schwarze Körper“. Er absorbiert und emittiert die maximal mögliche Strahlung, sein Emissionsvermögen beträgt 1. Bei typischen Umgebungstemperaturen liegt das Maximum seiner Abstrahlung im langwelligen Infrarotbereich (fernes Infrarot). Deshalb wird Wärmestrahlung umgangssprachlich mit Infrarotstrahlung gleichgesetzt. Je wärmer der Körper ist, umso mehr verschiebt sich sein Maximum jedoch in Richtung sichtbares Licht.

Zur Gesamtstrahlungsleistung der Sonne an der Erdoberfläche (Meereshöhe) trägt das sichtbare Licht ca. 52% bei, die Infrarotstrahlung ca. 42 %, wobei nur noch 1% der Gesamtstrahlung im fernen Infrarot grösser 2500 nm liegt. Die UV-Strahlung liefert mit ca. 6 % zwar einen vergleichsweise kleinen Anteil, ist aber insbesondere mit dem UV-B-Anteil an der Haut sehr wirksam und kann Sonnenbrand erzeugen. Der UV-A-Anteil schädigt tiefere Hautschichten, er verursacht Hautalterung und Faltenbildung.

Das menschliche Auge ist genau in dem Bereich am empfindlichsten, in dem die grösste Strahlungsintensität der Sonne auf der Erdoberfläche auftrifft.

Es kann als „glückliche Fügung“ bezeichnet werden, dass sich der gesamte Wellenlängenbereich der Sonnenstrahlung grösstenteils mit dem Durchlässigkeitsbereich von Glas deckt. Wie sich Sonnenstrahlung beim Auftreffen auf Glas verhält, ist allerdings von der Wellenlänge abhängig. Vor allem am kurzwelligen Ende des Spektrums wird die Durchlässigkeit von der Glasart bestimmt.

Die für Bau und Automotive überwiegend verwendeten Kalk-Natron-Silikatgläser sind sowohl für Wellenlängen kleiner 320 nm als auch im mittleren bis fernen Infrarotbereich grösser ca. 2500 nm nicht durchlässig. Diese wellenlängenabhängige Durchlässigkeit von Glas ist verantwortlich für den Treibhauseffekt: Die Sonnenenergie, die auf der Erdoberfläche ankommt, gelangt durch unbeschichtetes Glas zum grössten Teil hindurch ins Rauminnere. Wände, Böden und Einrichtungsgegenstände im Raum werden durch Absorbieren der Strahlung erwärmt. Sie senden die aufgenommene Energie als Wärmestrahlung wieder aus (Emission). Bei „normalen“ Temperaturen liegt das Maximum dieser Wärmestrahlung im fernen Infrarot. Dafür ist Glas aber nicht durchlässig, die Wärmestrahlung wird absorbiert bzw. in den Raum zurückreflektiert. Die Energie bleibt im Innern, der Raum wird deshalb zunehmend wärmer.

Der Effekt wird deshalb Treibhauseffekt genannt, weil er im Gartenbau in Gewächshäusern genutzt wird: Die durch ein Glashaus einfallende Sonne erwärmt den dunklen Boden. Die vom Boden emittierte Wärmestrahlung kommt durch das Glas nicht mehr hinaus, erwärmt die Luft und fördert so das Pflanzenwachstum, wenn es draussen dafür noch zu kalt wäre.

Wie in Kapitel Sonnenspektrum und elektromagnetische Strahlung zum schwarzen Körper angemerkt, senden Gegenstände, die Strahlung absorbieren, wieder Wärmestrahlung aus (Emission). Glasscheiben strahlen die absorbierte Sonnenenergie als sekundäre Wärmeabgabe zur Raumseite (q_i, i=innen) und nach draussen (q_a, a = aussen) wieder ab.

* Index e = energy, Index v = visible. Für die sekundäre Wärmeabgabe q nach draussen wird häufig ebenfalls der Index e verwendet, wobei hier e = external bedeutet. Zur Vermeidung von Verwirrung wird die sekundäre Wärmeabgabe q nach draussen in diesem Kapitel mit dem Index a bezeichnet. Bei den für Glaskennwerte teilweise benutzten Alternativbezeichnungen bedeutet S = Strahlung (SR = Strahlungsreflexion, SA = Strahlungsabsorption und ST = Strahlungstransmission) und L = Licht mit den Anteilen LR, LA und LT.

Beim Reflexionsgrad ρ=1(α=0 und Τ=0) wird alle Strahlung reflektiert (idealer Spiegel).

Beim Absorptionsgrad α=1(ρ=0und Τ=0) wird alle Strahlung absorbiert (so genannter schwarzer Körper).

Beim Transmissionsgrad Τ=1(ρ=0 und α=0) wäre der Gegenstand vollkommen transparent.

Bei der Angabe von strahlungsphysikalischen Kennwerten für Verglasungen (Kapitel Strahlungstechnische Kennwerte von Glas) wird zwischen Werten für das gesamte Sonnenenergiespektrum und Angaben für den Teilbereich des sichtbaren Lichts unterschieden:

Durch Massnahmen am Glas können die drei Anteile (Reflexion, Absorption und Transmission) gezielt beeinflusst werden. Verändert man einen Anteil, hat das Einfluss auf die beiden anderen. Ein Anteil kann deshalb auch immer durch Beeinflussung der beiden anderen Anteile erhöht oder reduziert werden.

Die lichttechnischen und strahlungsphysikalischen Kenngrössen von Verglasungen für Gebäude werden nach den Vorgaben der Norm SN EN 410 bestimmt und dienen als Grundlage für licht-, heizungs- und klimatechnische Berechnungen.

Er liegt zwischen 0 und 1. Ein g-Wert von 1 entspricht einem Energiedurchlass von 100 %. Unbeschichtetes Einfachglas hat einen g-Wert von ca. 0,85, d. h. 85 % der eingestrahlten Energie kommt auf direktem und indirektem Weg ins Rauminnere, der Rest wird reflektiert bzw. absorbiert. Für Sonnenschutzzwecke sollte der g-Wert möglichst niedrig, für solare Gewinne im Winter jedoch möglichst hoch sein.

Der Lichttransmissionsgrad T_v (auch LT- Wert) gibt an, wieviel Prozent des sichtbaren Strahlungsanteils des Sonnenspektrums nach innen übertragen werden. Er ist abhängig von der Glasdicke, der Zusammensetzung des Glases sowie von der Beschichtung der Scheibe. Nach SN EN 410 wird er auf die Lichtempfindlichkeit des menschlichen Auges bezogen. Unbeschichtetes Kalk-Natron-Silikatglas hat einen Lichttransmissionsgrad von ca. 90 %. Natürliches Tageslicht ist nicht nur für das Auge angenehmer als künstliche Beleuchtung, Tageslicht beeinflusst auch unseren Stoffwechsel und ist wichtig für das Wachstum von Zimmerpflanzen. Gute Ausnutzung von Tageslicht durch verglaste Flächen spart Energie. Blendfreie Beleuchtung mit Tageslicht ist auch für die optimale Gestaltung von Arbeitsplätzen bedeutsam.

Auch der Farbwiedergabeindex R_a spielt eine Rolle bei der Auswahl von Verglasungen. Das Sonnenlicht besteht aus einzelnen farbigen Wellenlängenbereichen, von rot über orange, gelb, grün und blau nach violett und erscheint in der Summe als weiss. Werden die Wellenlängenbereiche in der Durchsicht nach aussen unterschiedlich durchgelassen oder in der Draufsicht von aussen nicht gleichmässig reflektiert, verändert dies den Farbeindruck. Dies kann die ästhetische Wirkung und das Wohlbefinden im Raum beeinflussen. Der Farbwiedergabeindex wird nach SN EN 410 mit einer Normlichtquelle gemessen. Der Maximalwert für eine vollkommen farbneutrale Farbwiedergabe ist 100. Mit Glasbeschichtungen für Sonnen- und Wärmeschutz ist eine gute bis sehr gute Farbwiedergabe erreichbar. Die Gläser erscheinen trotz der Beschichtung weitestgehend farbneutral.

Bei der alternativen Ermittlung nach SN EN 410 wird der b-Faktor der Verglasung auf ein 3 mm dickes Einfachglas mit 0,87 bezogen.

Sommerlicher Wärmeschutz ist abhängig von:

• Gesamtenergiedurchlassgrad (g-Wert) der transparenten Aussenbauteile
• Sonnenschutzvorrichtungen an transparenten Aussenbauteilen
• Orientierung der transparenten Flächen nach Himmelsrichtung und Neigung zur Vertikalen
• Flächenanteil der transparenten Aussenbauteile an der gesamten Gebäudehülle
• Art und Intensität der Lüftung der Räume
• Wärmekapazität, d.h. Wärmespeicherfähigkeit der raumumschliessenden Bauteile
• Wärmeleiteigenschaften der nichttransparenten Aussenbauteile
• Interne Wärmequellen

1. Was gut ist gegen Kälte im Winter, hilft auch gegen Wärme im Sommer: In einer guten Thermoskanne bleiben heisse Getränke warm und kalte Getränke lange kühl. Kühl- und Gefrierschränke sind heute hervorragend gedämmt und damit sehr energieeffizient im Verbrauch. Ein klimatisiertes Gebäude ist nichts anderes als ein grosser Kühlschrank. Eine gut gedämmte thermische Gebäudehülle hilft auch im Sommer, die Hitze draussen zu halten. Deswegen spielen die Wärmedurchgangskoeffizienten der Bauteile (Wände, Decken, Fenster, Türen) auch für den Sonnenschutz eine wichtige Rolle.

2. Neben dem Wärmeeintrag über nichttransparente Flächen sind die im Sommer unerwünschten solaren Gewinne durch Glasflächen entscheidend, die schnell zur Überhitzung von Räumen führen können. Ausgerechnet im Sommer liefert die Sonne in unseren Breitengraden aber eine wesentlich höhere Strahlungsintensität als in den Wintermonaten. Der im Winter erwünschte Treibhauseffekt wird im Sommer zur Hitzefalle. Wichtige Kenngrössen sind der Gesamtenergiedurchlassgrad (g-Wert) der Gläser sowie der Flächenanteil und die Orientierung der Fenster unter Berücksichtigung von Sonnenschutzmassnahmen.

3. Die Erwärmung der Räume eines Gebäudes infolge von Sonneneinstrahlung und durch interne Wärmequellen (z.B. Beleuchtung, Personen) ist umso geringer, je speicherfähiger die Bauteile sind, die mit der Raumluft in Verbindung stehen. Je mehr Wärme aus der tagsüber erwärmten Raumluft an den Baukörper abgegeben werden kann, umso weniger heizt sich ein Raum auf. Die Speichermassen dämpfen die Temperaturschwankungen im Tagesverlauf. Wirksam sind hierfür nur Bauteilschichten raumseits vor Wärmedämmschichten. Aussenliegende Wärmedämmschichten und innenliegende wärmespeicherfähige Schichten wirken sich in der Regel günstig auf das sommerliche Raumklima aus.

4. Die kritischste Gebäudeausrichtung ist nicht der Süden, sondern wegen der tieferstehenden Sonne der Westen. Hier ist der Sonneneintrag auf Grund direkter Strahlungstransmission am höchsten. Auch nach Osten gerichtete Glasflächen ohne Sonnenschutz führen zu Überhitzung im Sommer, da bereits am Morgen viel Energie in den Raum gelangt. Selbst bei nördlicher Ausrichtung von Fassaden können sich Räume durch diffuse (indirekte) Strahlung noch aufheizen.

Unter Sonnenschutz sind alle Massnahmen zu verstehen, die den Energieeintrag durch Sonneneinstrahlung reduzieren. Das ist auf vielerlei Wegen, auch durch Kombination der verschiedenen Optionen, machbar:

Nicht variabler Sonnenschutz:

• Bauliche Gestaltung (auskragende Dächer und Balkone über südorientierten Verglasungen)
• Statische Sonnenschutzgläser

Variabler Sonnenschutz:

• Aussenliegende Sonnenschutzvorrichtungen (Fensterläden, Rollläden, Raffstore, Markisen)
• Innenliegende Sonnenschutzvorrichtungen (Jalousien, Vorhänge, Rollos)
• Sonnenschutzvorrichtungen im Scheibenzwischenraum (Jalousien, Rollos)
• Dynamische schaltbare (g-Wert) Verglasungen

Die SIA 180:2014 fordert für Neubauten und für energetische Sanierung den Nachweis eines ausreichenden sommerlichen Wärmeschutzes. In Gebäuden dürfen keine unzumutbaren Temperaturbedingungen entstehen, die maschinelle und energieintensive Kühlmassnahmen zur Folge haben. Daher muss der sommerliche Wärmeschutz möglichst frühzeitig, bereits in der Planungsphase eines Gebäudes mit einbezogen werden. Konstruktive Elemente sind Bestandteil der architektonischen Planung und können nicht mehr oder nur mit erheblichem Aufwand nachträglich an einem fertig gestellten Gebäude angebracht werden.

Sonnenschutzverglasungen mit speziell für diesen Zweck geeigneten Beschichtungen können den Strahlungseintrag wirksam reduzieren, ohne die Durchsicht zu behindern. Die „ideale“ Sonnenschutzbeschichtung würde das sichtbare Licht (380 bis 780 nm) komplett ungehindert durchlassen und alle anderen Bereiche für geringen Energieeintrag durch Reflexion und Absorption komplett abblocken. Durch selektive Beschichtungen wird versucht, diesem Ziel möglichst nahe zu kommen. Das ist wichtig zur Einsparung künstlicher Beleuchtung und für Farbneutralität. Allerdings enthält auch der sichtbare Teil der Sonnenstrahlung viel Energie. Deshalb macht es je nach den individuellen Umständen Sinn, auch diesen zumindest teilweise zu kappen.

Gläser für Sonnenschutzzwecke werden eingefärbt oder beschichtet oder beides.

Verbundsicherheitsglas hat auf Grund der PVB (Polyvinylbutyral) Folie, die sich zwischen den 2 Glasscheiben befindet, einen stark verminderten UV-Transmissionsgrad. Daher sind diese Art von Gläsern auch nicht für Gewächshäuser geeignet. Auf Grund des fehlenden UV-Anteils im Licht, können Pflanzen nicht lange überleben (Photosynthese).

Die Erfüllung der teils gegenläufigen Forderungen nach Tageslicht, Sonnenschutz,Wärmeschutz und Blendschutz ist eine anspruchsvolle Planungsaufgabe.

Die Entwicklung bleibt nicht stehen, zukunftsweisende Technologien und Komponenten sollen helfen, diese teilweise widersprüchlichen Anforderungen zu lösen. Interessante Ansätze gibt es in vielen Bereichen:

• Hoch reflektierende, in Isolierverglasungen integrierte Jalousiesysteme
• Jalousien und Raffstore mit Lichtlenkung
• In die Gebäudetechnik integrierte Steuerungssystem
• In den Sonnenschutz integrierte Solarthermie- oder Photovoltaikanlagen
• Schaltbare Verglasungen (smart glazing)
• Smart materials – Materialien die sich auf Grund bestimmter Einflüsse verändern können, wie z. B. Textilien, Membrane und Folien; aber auch Kunststoffe, Beschichtungen und Sandwich-Systeme