Wenn Flachdächer Strom liefern sollen – Anforderungen an die Wärmedämmung von solargenutzten Dächern

Dipl.-Ing. Tobias Schellenberger, Geschäftsführer IVPU

IVPU-Bild_Solaranlage_auf_FlachdachFlachdächer werden immer häufiger für die Aufstellung von Solaranlagen genutzt und sind damit erhöhten Belastungen, z. B. durch Windlast und Begehung, ausgesetzt. Um die dauerhafte Funktionstüchtigkeit des Daches bei solarer Nutzung zu gewährleisten, muss die Wärmedämmschicht ausreichend druckfest sein.

Zusätzliche Belastungen der Dachkonstruktion
Um einen optimalen Neigungswinkel und damit maximalen Ertrag zu erzielen, werden Photovoltaikmodule meist aufgeständert. Diese Aufdachsysteme sind aufgrund ihrer Einfachheit inzwischen am gebräuchlichsten. Durch die Abtragung der Windkräfte über Auflast ist die Form der Aufständerung allerdings mit den höchsten Belastungen für Tragwerk, Abdichtung und Dämmung verbunden. Die schräg gestellten Paneele werden auf der dem Wind zugewandten Seite entlastet, während sich die Pressung auf der dem Wind abgewandten Seite verstärkt. Kippt das Solarpaneel infolge des Windsogs, verlagert sich das gesamte Gewicht auf die Kante. Die Kantenpressung kann bei weichen Dämmschichten zu Beschädigungen der Dachhaut führen.
Windkräfte verursachen dynamische Belastungen, die durch die gängigen Prüfverfahren nach EN 826 nicht abgebildet werden. Die wiederkehrende Beanspruchung kann je nach Dämmstoffart das Materialgefüge dauerhaft verändern und die Druckspannung herabsetzen.

 

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Grafik 1– Aufstellung der Anlage auf Druckverteilungsplatten, beschwert mit Kies
1 Solarelement, 2 Wanne mit Beschwerung, 3 Bautenschutzmatte, 4 Dachabdichtung, 5 Dämmung, 6 Dampfsperre und Voranstrich, 7 Tragkonstruktion

 

Häufig wird bei der Planung von Solaranlagen übersehen, dass die Dachfläche durch Begehen und Transportvorgänge von einem nicht genutzten Dach – bei dem Verkehrslasten eigentlich nicht vorgesehen sind – in ein genutztes Dach umgewandelt wird und die Dämmschicht damit einer erhöhten mechanischen Beanspruchung ausgesetzt ist.
Wird die Dämmschicht infolge wiederkehrender Belastung zu sehr zusammengedrückt, können die Schraubenköpfe durch mechanisch befestigte Dachabdichtungsbahnen stoßen. In der Folge entstehen Undichtheiten. Die Festigkeit bestimmter Dämmmaterialien wird zusätzlich durch geringe Menge Feuchtigkeit, die in fast jedem Dachaufbau vorhanden ist, und durch die Aufwärmung der Dachfläche im Sommer herabgesetzt.

Belastungsarten und Bemessung der Dämmschicht
Bisher existieren keine allgemein anerkannten Methoden, die Auswirkungen dynamischer Lasten auf die Lebensdauer von Flachdachkon­struktionen zu beurteilen. Die Anforderungen an Dämmschichten sind in DIN 4108-10 „Anwendungsbezogene Anforderungen an Wärmedämmstoffe – werkmäßig hergestellte Wärmedämmstoffe“ festgelegt. Dabei ist zu beachten, dass Flachdächer mit aufgeständerten Solarelementen künftig als „genutzte Dächer“ gelten sollten. In genutzten Flachdächern dürfen ausschließlich hoch druckbelastbare Dämmstoffe der Anwendungstypen DAA dh, DAA ds oder DAA dx eingesetzt werden. Häufig wird die vom Hersteller angegeben Druckfestigkeit als Anhaltspunkt herangezogen. Die Druckfestigkeit bei 10 % Stauchung (nach EN 826) ist jedoch nur begrenzt aussagefähig, da die Prüfung nur eine einmalige, statische Belastung beinhaltet. Unter baukon­struktiven Gesichtspunkten sollte die Stauchung der Dämmschicht 2 % nicht überschreiten. Bei stärkerer Dickenminderung besteht die Gefahr, dass die Dachhaut beschädigt wird.

Kurzzeitige statische Belastung:
In der Bauphase kann es vorkommen, dass Baumaterial und Geräte auf der Dachfläche gelagert werden. Ein temporärer Schutz der Dachhaut ist dann erforderlich. Kurzzeitig kann eine Dämmung mit Polyurethan-Hartschaum des Anwendungstyps DAA dh bis 60 kPa und DAA ds bis 90 kPa belastet werden, ohne dass die Verformungsgrenze von 2 % überschritten wird. Bei dieser Druckbelastung verhält sich Polyurethan-Hartschaum ideal elastisch, d. h. nach Entlastung stellt sich der Dämmstoff wieder in die ursprüngliche Dicke zurück.

Dynamische Druckbelastung:
Wiederkehrende Belastungen treten in allen Flachdächern auf. Das Forschungsinstitut für Wärmeschutz e. V. München (FIW) hat ein Prüfverfahren zur Bestimmung der Begehbarkeit von Dämmschichten in Flachdächern entwickelt. Bei diesem Prüfverfahren wird der Druck nicht einmalig bis zu 10 % Stauchung oder bis zum Materialversagen aufgebracht, sondern zyklisch bis zur jeweiligen Belastungsstufe. Belastung und Entlastung wechseln sich ab, wobei die Belastungsstufe nach fünf Zyklen um jeweils 20 kPa erhöht wird. Dabei sollen die Dämmschichten nicht mehr als 2 % gestaucht und in ihrer Struktur nicht verändert werden. Die bleibende (plastische) Verformung nach der Entlastung soll nicht mehr als 0,5 % betragen. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass Polyurethan-Hartschaum des Anwendungstyps DAA dh durch zyklisch wiederkehrende Belastungen bis 60 kPa nicht dauerhaft verformt oder geschädigt wird. Polyurethan-Hartschaum des Anwendungstyps DAA ds kann sogar bis 90 kPa zyklisch belastet werden.

 

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Grafik 2 – Stauchung bei zyklischer Belastung von Polyurethan-Hartschaum
Polyurethan-Hartschaum des Anwendungstyps DAA dh (Nenndruckspannung 100 kPa) unter zyklischer Belastung. Erst bei 60 kPa wird eine Stauchung von 2 % erreicht. Polyurethan-Hartschaum verhält sich im gesamten Belas­tungsbereich elastisch, d. h. stellt sich nach Entlastung fast vollständig zurück.


Zeitstanddruckfestigkeit:
Die Eigenlast der Solaranlage einschließlich der Montagegestelle und der Auflast kann bis zu 120 kg/m² betragen. Da die Dämmschicht über die gesamte Gebrauchsdauer ständig belastet wird, muss der Dämmstoff eine ausreichende Zeitstanddruckfestigkeit besitzen. Bei der Bemessung ist die zeitabhängige plastische Verformung unter Last (auch als „Kriechen“ bezeichnet) zu berücksichtigen.
Diese darf auch bei einer Belastungsdauer von 50 Jahren die Grenze von 2 % nicht übersteigen.
Polyurethan-Dämmplatten des Anwendungstyps DAA dh erfüllen diese extremen Anforderungen selbst dann, wenn sie permanent über 20 Jahre mit 20 kPa (entsprechend 2000 kg/m²) belastet werden. Der Poly­urethan-Anwendungstyp DAA ds ist sogar mit 30 kPa (entsprechend 3000 kg/m²) belastbar.

 

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Tabelle: Lastfälle und Eigenschaftswerte von Dämmstoffen aus Polyurethan-Hartschaum

Fazit
IVPU-Publikation_Solardach_Titelbild-1Die Installation von Solarkollektoren oder Photovoltaikmodulen ist immer mit Lasteinträgen in die Dachkonstruktion verbunden. Die zusätzlichen Lasten beanspruchen nicht nur die Dachkonstruktion einschließlich der tragenden Trapezblechschale, sondern auch die tragenden Wände und Stützen, die zusätzliche Vertikallasten aufnehmen müssen. Häufig sind Tragelemente statisch knapp bemessen und bieten kaum Spielraum für zusätzliche Lasten. Daher sollte die Belastbarkeit der Baukonstruktion anhand von Plänen und Berechnungen durch einen Statiker geprüft werden.

Polyurethan-Dämmstoffe belasten durch ihr geringes Eigengewicht von rund 3 kg/m² bei 100 mm Dicke die Dachkonstruktion kaum zusätzlich und bieten sich daher gerade bei statisch ausgereizten Tragwerken als „Problemlöser“ für eine energetische Sanierung im Vorfeld der Installation an. Aufgrund ihrer hervorragenden Bemessungswerte der Wärmeleitfähigkeit von 0,024 W/(m•K) bis 0,029 W/(m•K) ermöglichen Dämmelemente aus Polyurethan-Hartschaum (PUR/PIR) zukunftsweisende U-Werte schon bei geringen Dämmstoffdicken, und damit einen über Jahre optimalen, wirtschaftlichen Wärmeschutz.

Die IVPU-Publikation „Flachdächer mit Solarthermie- oder Photovoltaikanlagen – Anforderungen an die Wärmedämmung“ kann kostenlos von der Polyurethan-Website www.daemmt-besser.de heruntergeladen werden (Menü Services / Druckschriften-Download).