Institut für Baubiologie + Ökologie IBN

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Aus: Wohnung + Gesundheit 135, Sommer 2010, S. 28-30

Gründächer sparen Heizenergie (Gernot Minke) - Volltextversion

Die Auswirkung von Vegetationsdächern auf den sommerlichen und winterlichen Wärmeschutz ist weder in der Energieeinsparverordnung EnEV noch in der DIN 4108 (Wärmeschutz- und Energie-Einsparung in Gebäuden) berücksichtigt. Aus diesem Grund wurden am Zentrum für Umweltbewusstes Bauen (ZUB), Universität Kassel, in der Zeit vom November 2007 bis zum Februar 2009 Messungen an fünf unterschiedlichen Gründächern durchgeführt, um deren Wärmedämmverhalten zu erfassen. Das Projekt wurde von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) und der Fachvereinigung Bauwerksbegrünung e.V. (FBB) gefördert.

Der Versuchsstand steht in ca. 14 m Höhe im innerstädtischen Bereich von Kassel. Er besteht aus einem stark gedämmten klimatisierten Versuchsraum, auf dem sechs 1,00 m x 1,20 m große Felder mit einer seitlichen Dämmung von 25 cm Dicke angeordnet sind. In der Klimakammer herrscht eine Solltemperatur von 20°C, die maximal um 10 % schwankt.

Als Referenzfeld dient ein Dach mit 20 cm Wärmedämmung (λ = 0,04 W/mK) und wasserabführender Dachhaut, jedoch ohne Substrat und Vegetation. Die übrigen fünf Felder weisen entweder 10 cm oder 20 cm Wärmedämmung auf und haben entweder 8 cm oder 15 cm Leichtsubstrat mit einer Vegetationsmatte aus Sedum bzw. Sedum-Kräuter-Gräser- Vegetation oder reiner Gräservegetation (vergleiche Tabelle 1).

Die unterschiedlichen Substratdicken und Vegetationsarten wurden gewählt, um den Einfluss des Substrats und der Vegetation getrennt zu erfassen. Je Messfeld wurden 12 Messfühler (Pt 100) und raumseitig eine Wärmestrommesssonde eingebaut, um die Temperaturen unter dem Substrat in Substratmitte und an der Oberkante des Substrats zu ermitteln. Die Messwerte der einzelnen Fühler wurden alle 6 Minuten erfasst. Gleichzeitig wurden die aktuellen Klimadaten des Standortes von einer in ca. 20 m entfernten Meteorologischen Station der Universität Kassel erfasst

Um das sommerliche und winterliche Wärmedämmverhalten der untersuchten Dachaufbauten zu vergleichen, wurden einerseits deren monatliche Transmissionswärmeverluste ermittelt und gegenübergestellt, andererseits die Bauteiltemperaturen unter dem Substrat während einer Woche in der Hitzeperiode und einer Woche in der Kälteperiode dargestellt.

Abb. 1 zeigt die während einer Sommerwoche unter dem Substrat gemessenen Temperaturen (Bauteiltemperaturen) der fünf Gründächer, im Vergleich zu der unter der Dachabdichtung ermittelten Temperatur des Referenzfeldes ohne Substrat und Vegetation. Die maximalen Oberflächentemperaturen des Referenzfeldes lagen um 25 bis 45°C höher als die der Gründächer, obwohl die Lufttemperatur nur maximal um 7°C höher lag, was auf die starke Sonneneinstrahlung zurückzuführen ist. In der Nacht war die Oberflächentemperatur des Referenzfeldes dagegen um bis zu 7°C niedriger als die Lufttemperatur, was auf den Effekt der nächtlichen Wärmeabstrahlung hinweist.

Bei dem Vergleich der Felder V und VI wird deutlich, dass die Substrathöhe von 15 cm bei Feld V und dessen dichterer Bewuchs durch Grassorten eine stärkere Verringerung der Temperaturamplituden bewirkt als dies bei Feld VI mit nur 8 cm Substrathöhe und überwiegend Sedum- Bewuchs der Fall ist (siehe Abb. 2). Diese Abbildung zeigt ferner. dass die Außentemperaturschwankungen durch die Wirkung des Gründaches bei Feld VI um durchschnittlich ca. 50 % und bei Feld V um ca. 70 % reduziert werden.

Besonders wirkungsvoll ist die Dämpfung der Temperaturschwankungen durch Gründächer im Winter, wie die an der Dachhaut gemessenen Werte in Abb. 3 zeigen. Während in der dargestellten Januarwoche die Außenlufttemperaturen um max. 18°C und die des Referenzfeldes um max. 15°C schwankten, zeigten die Felder mit 15 cm Substrat keine Schwankungen und die Felder mit 8 cm Substrat nur Schwankungen von bis zu 3°C. Während die Lufttemperatur stets unter 0°C war und bis auf -18°C sank und die Temperaturen im Referenzfeld zwischen +3°C und -12°C schwankten, sank die Temperatur in den Feldern mit 15 cm Substrat nie unter den Gefrierpunkt. Bei den Feldern mit 8 cm Substrat gefror der Boden dagegen.

Die Abb. 4 zeigt den Vergleich der Felder V und VI in der Winterwoche und verdeutlicht noch einmal den Einfluss des unterschiedlichen Gründachaufbaus. Die Abb. 6 zeigt den monatlichen Transmissionswärmeverlust, bzw. -gewinn der vier Felder mit 20 cm Wärmedämmung. Dabei wird deutlich, dass das Referenzfeld in allen drei Sommermonaten einen erheblichen Wärmeeintrag zu verzeichnen hatte, der im Juni 960 Wh/m² betrug, während die übrigen Felder nur etwa 1/5 dieses Wertes erreichten. In Abb. 5 wird der Transmissionswärmeverlust der Felder I bis IV während der Heizperiode Okt. 2007 bis März 2008 dargestellt und in Abb. 7 der Transmissionswärmeverlust bzw. -gewinn während der Monate Juni bis August 2008.

Obwohl in der Winterwoche vom 02.01.2009 bis 08.01.2009 stets Lufttemperaturen zwischen 0 und -17°C herrschten, war die Temperatur unter dem 15 cm Substrat des grasbewachsenen Gründaches konstant +1°C. Dies ist vor allem mit dem im Folgenden beschriebenen Latentspeichereffekt des feuchten Substrats zu erklären.

Die prozentuale Reduzierung des Transmissionswärmeverlustes durch den Gründachaufbau der Felder II bis IV zeigt Tabelle 2. Die vergleichenden Untersuchungen an den gemessenen sechs Testfeldern zeigten im Einzelnen:

• Im Vergleich zu dem unbegrünten Dach verringerte sich der Transmissionswärmeverlust des Gründaches mit Grasbewuchs und 15 cm Substrat (Feld III) um 18,2 %, im Dezember sogar um 25 %.
• Im Vergleich zum Gründach mit 8 cm Substrat und Sedumbewuchs (Feld VI) verringerte sich der Transmissionswärmeverlust des Daches mit 15 cm Substrat und Grasbewuchs während der Heizperiode um 10 %. Während im Juli der Wärmeeintrag bei dem Referenzdach 794 Wh/m² betrug, floss bei den Gründächern mit 15 cm Substrat noch 22 bis 85 Wh/m² an Wärme nach außen ab; dies ist ein erwünschter Effekt um Überhitzungen von Dachräumen zu vermeiden.

Die Wärmedämmwirkung des Pflanzenpolsters ist auf folgende Phänomene zurückzuführen:

• Ein sommerlicher Wärmeschutz ergibt sich einerseits dadurch, dass aufgrund der Verschattung durch die Vegetation die Sonnenstrahlen das Erdreich nicht erreichen und dass außerdem die Sonnenergie im Pflanzenpolster durch Wasserverdunstung, Reflexion und Photosynthese weitgehend aufgebraucht wird.
• Das eingeschlossene Luftpolster wirkt wie eine Wärmedämmschicht. Man geht davon aus, dass eine dichtes Graspolster ein λ von 0,17 W/mK und ein erdfeuchtes Substrat ein λ von 0,6 W/mK aufweist [Dürr 1995, Umweltbundesamt 1987].
• Ein dichtes Vegetationspolster hält den Wind von der Substratoberfläche ab. Da dort kaum Luftbewegung herrscht, ist der Wärmeverlust infolge von Wind nahezu Null.
• Frühmorgens, wenn die Außenlufttemperatur am niedrigsten ist, bildet sich in der Regel Tau an der Vegetation. Die Taubildung erhöht die Temperatur in der Vegetationsschicht, da bei der Kondensation von 1 g Wasser ca. 530 Kalorien an Wärme freigesetzt werden. Somit wird der Transmissionswärmeverlust etwas reduziert.
• Durch die Wurzelatmung entsteht ein – wenn auch geringer – Wärmegewinn im Erdreich, der im Winter dazu beiträgt, dass das Erdreich weniger leicht friert.
• Die thermische Masse der Substratschicht bewirkt eine Reduzierung der Temperaturamplituden.
• Der so genannte Latentspeichereffekt des feuchten Substrats bewirkt eine weitere Dämpfung der Temperaturdifferenzen:

Wenn das Wasser in der oberen Schicht des Substrats gefriert, werden bei der Umwandlung von einem Gramm Wasser zu einem Gramm Eis ca. 80 Kalorien an Wärme frei. Das gefrierende Substrat bleibt also sehr lange bei einer Temperatur von 0°C, auch wenn die Außentemperatur wesentlich niedriger ist. Beim Auftauen von Eis wird zwar die entsprechende Energie von 80 cal/g Eis für die Rückwandlung des Aggregatzustandes wieder verbraucht, diese Energie wird aber weitgehend der Luft entzogen. So entsteht insgesamt betrachtet durch diesen Latentspeichereffekt ein Wärmegewinn für das Dach.