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Optigrün international AG
Anforderung:
Standsichere PV-Anlagen ohne Perforierung der Dachabdichtung
Lösung:
Schwerkraftgehaltene Montagesysteme für universellen Einsatz
Auch wenn die Vergütungsbedingungen für Solarstrom nicht mehr so paradiesisch wie noch vor einigen Jahren sind, bleiben PV-Anlagen gerade für die gewerblichen Besitzer großer Flachdachflächen ein spannendes Thema. Sie können oft hohe Anteile des erzeugten Stroms für den Eigenverbrauch selbst nutzen, als Unternehmen den gewerblichen Stromverkauf sehr einfach in ihre ohnehin vorhandene Steuerbuchhaltung integrieren und sich nicht zuletzt mit PV-Anlagen ein zukunftsweisendes ökologisches Firmenimage geben. Vor allem aber stehen ihnen auf den großen Flachdächern der Werks-, Lager- und Logistikhallen riesige Flächen zur Verfügung, die sich für eine energetische Nutzung geradezu aufdrängen – auch weil sie anderweitig kaum sinnvoll verwendet werden können.
Solarstromanlagen auf Flachdächern sind für Architekten und Planer eine Aufgabe im Rahmen des (Hallen-)Neubaus oder werden installiert, wenn im Bestand eine Erneuerung der Dachabdichtung sowie zusätzlich eventuell eine Verbesserung der Wärmedämmung erforderlich ist. Aber auch ohne diese Baumaßnahmen kann es zu Nachrüstungen kommen, sodass die Photovoltaik dann auf ein komplett fertiges und funktionierendes Flachdach aufgebracht werden muss.
Verankerung im Untergrund: Aufwand und Risiko
In jedem dieser Fälle wird eine erste Prüfung der Dachstatik erforderlich sein. Bei Neubaudächern muss die zusätzliche Last von vornherein berücksichtigt werden. Bestandsdächer benötigen ausreichend Tragfähigkeitsreserven der Dachbinder und der Dachfläche, um die Zusatzlasten der Energiegewinnung aufnehmen zu können.
Neben dem reinen Gewicht muss aber auch die sichere Befestigung der Anlagentechnik geprüft werden. Gerade auf Flachdächern sind PV-Module erheblichen Windbelastungen ausgesetzt. Auch bei starkem Windsog dürfen sich die Unterkonstruktionen nicht bewegen und die Module nicht abheben.
Der naheliegendste Gedanke ist die Verankerung der PV-Anlagen im Dachuntergrund. Sofern zugelassene oder rechnerisch nachweisbare Dübel und Schrauben verwendet werden, ist dies aus rein mechanischer Sicht eine sichere und solide Methode – die allerdings zwangsläufig die Dachabdichtung perforiert. Bei einer Nachrüstung der Solaranlage wäre also ein in der Regel dichtes und funktionierendes Dach für die Befestigungspunkte zu öffnen. Auch wenn die Durchdringungen anschließend wieder abgedichtet werden, bleibt das Fehlerpotenzial hoch und jeder künftige Wassereintritt in das Dach wird zu Auseinandersetzungen über Ursache und Schuld führen.
Nur wenig besser stellt sich die Situation im Neubau bzw. bei der Erneuerung der Abdichtung dar. Zwar lassen sich die Befestigungspunkte hier im Kontext mit der Dachbahn planen, doch beim Verlegen der Bahn müssen sie trotzdem mit erheblichem Aufwand einzeln abgedichtet werden. Wie bei der Nachrüstung entsteht eine erhebliche Anzahl von Schnittstellen zwischen Abdichtung, Wärmedämmung und PV-Anlage, die im Hinblick auf die fachgerechte Ausführung und die Gewährleistung eine sehr präzise Koordination und Kontrolle der Gewerke verlangt.
Diese Schwierigkeiten können mit durchdringungsfreien Montagesystemen für PV-Anlagen auf Flachdächern vermieden werden. Gängig sind vor allem aerodynamisch optimierte Systeme, die allein durch ihre Eigenlast oder je nach Situation auch mit zusätzlichem Ballast lagegesichert sind. Neben dieser universellen Lösung gibt es für spezielle Dachaufbauten weitere Möglichkeiten, etwa das Verschweißen an der Dachbahn, die mechanische Befestigung auf den Hochsicken von Trapezblechen oder an den Falzen von Falzdächern sowie die Befestigung mit Abspannseilen.
Optimierung des Neigungswinkels
PV-Montagesysteme sind Schienenkonstruktionen bzw. Metallgerüste aus Aluminium, an denen die Module entweder dachparallel oder aber aufgeständert und geneigt befestigt werden. Die Aufständerung stellt eine ausreichende Hinterlüftung sicher und reduziert damit Leistungsminderungen durch Hitzestau. Gleichzeitig wird der Selbstreinigungseffekt unterstützt: Bei Neigungswinkeln ab etwa 10° werden Verschmutzungen vom Regen abgewaschen, Schnee kann abgleiten. Vor allem aber erlaubt die aufgeständerte Montage eine verbesserte Ausrichtung zur Sonne im Hinblick auf die Himmelsrichtung und den Neigungswinkel.
Allerdings darf man beim Neigungswinkel keine Wunder erwarten. Um die Windangriffsfläche in Grenzen zu halten, arbeiten viele Montagesysteme mit eher flachen Neigungen in Größenordnungen von 7° bis 15°. Das verbessert die Solarausbeute gegenüber einer flachen Montage, erreicht aber nicht das Optimum, das in Deutschland meist um 35° liegt. Zwar gibt es in vielen Sortimenten auch Montagesysteme für höhere Neigungen bis 45°, bei denen dann aber auch mit höheren Kosten und einem Mehraufwand für die Verankerung bzw. die Lagesicherheit gerechnet werden muss.
Steilere Module werfen außerdem mehr Schatten, sodass sie sich zu manchen Tageszeiten gegenseitig verschatten können. Dann müssen eventuell die Abstände der Modulreihen vergrößert werden, was die PV-Belegungsfläche auf dem Flachdach reduziert. Es bedarf also einer genauen Kalkulation, ob die Erhöhung von Kosten und Aufwand bei stärkeren Neigungen durch den solaren Mehrertrag der Module kompensiert wird. Mit flacher geneigten Montagesystemen verzichtet man zwar auf Spitzenleistungen der Energiegewinnung, kann dafür aber auf eine Vielzahl bewährter und relativ einfach zu sichernder Konstruktionen zurückgreifen.
Aufbau ballastierter Systeme
Durchdringungsfreie Systeme, die allein durch ihr Eigengewicht oder durch zusätzlichen Ballast gehalten werden, müssen in jedem Fall berechnet werden. Nur anhand der Windbeeinflussung am jeweiligen Ort sowie der Bauweise und Geometrie des konkreten Dachs lässt sich bestimmen, wie hoch das Gewicht sein muss, um die Lagesicherheit zu gewährleisten.
Viele Hersteller haben ihre Systeme aerodynamisch optimiert und im Windkanal getestet, damit der Wind möglichst wenig Angriffsfläche hat und die Ballastmenge klein gehalten werden kann oder sogar das Eigengewicht der Anlage ausreicht. Dazu dienen zum Beispiel flache Bauformen und eventuell zusätzliche Windableitbleche. Ballast wird meist in Form von Rasenkantensteinen, Gehwegplatten oder anderen Betonkörpern aufgebracht. Bei der Auswahl eines konkreten Systems sollte darauf geachtet werden, dass für diese Beschwerungen definierte Ablageplätze vorhanden sind – etwa in Form von Schienen oder Wannen. Ansonsten kann es dazu kommen, dass die Monteure die Betonklötze fantasievoll, aber nicht unbedingt in der vorab berechneten Belegung auf dem Dach verteilen. Spezialvarianten der Ballastierung sind bekieste oder begrünte Dächer, bei denen sich je nach Situation der Kies bzw. die Vegetationsschicht gleichzeitig für die Beschwerung nutzen lässt.
Durchdringungsfreie Montagesysteme werden entweder auf bauseits zu verlegenden Bautenschutzmatten abgestellt oder besitzen an ihren Fußpunkten schon ab Werk Kunststoffformteile bzw. andere weiche Materialien. Bei der Auswahl der Bautenschutzmatten ist auf eine chemische Verträglichkeit zur Dachbahn zu achten.
Die weiche Ausführung des Fußpunktes schützt die Abdichtung vor mechanischer Verletzung. Vor allem aber muss sie für eine möglichst hohe Haftreibung sorgen, denn der am Fußpunkt wirkende Haftreibungskoeffizient ist neben dem Windsog und dem Eigengewicht der Anlage der dritte wichtige Parameter für die Berechnung der Lagesicherheit. Aus dieser Berechnung ergibt sich, ob und wie viel Ballast erforderlich ist, um PV-Anlagen auf dem Flachdach gegen Abheben, Umkippen und Verschieben zu sichern. Bei statisch sehr ausgemagerten Dächern muss die Summe aus Eigenlast und erforderlichem Ballast am Ende noch einmal mit den Tragfähigkeitsreserven der Konstruktion abgeglichen werden.
Alternativen wie z.B. Verschweißen oder Falzklemmen
PV-Montagesysteme, die allein durch die Schwerkraft gehalten werden, lassen sich bei vorhandener Tragfähigkeit auf praktisch allen Flachdächern mit Bitumen- oder Folienabdichtung einsetzen. Eine weitere, in Deutschland aber kaum angebotene Methode sind Seilabspannungen. Die Seile benötigen klassische mechanische Verankerungen, die jedoch überwiegend am Dachrand und in deutlich geringerer Anzahl als bei vollständig mechanisch befestigten PV-Anlagen auftreten.
Ebenfalls eher theoretisch ist die Möglichkeit der Verklebung, z. B. auf Trapezblechen. Wie Anwendungen in der Industrie zeigen, können Klebeverbindungen heute schon sehr Überzeugendes leisten. Sie scheitern im bauhandwerklichen Bereich aber meist an der erforderlichen Qualitätskonstanz und der daraus resultierenden Berechenbarkeit, weshalb sie nur schwer Zulassungen erhalten.
Im universellen Einsatz sind darum schwerkraftgehaltene PV-Montagesysteme praktisch die einzige durchdringungsfreie Möglichkeit. Es gibt aber weitere praxistaugliche Lösungen, die jeweils bei speziellen Dachsystemen funktionieren. Etwa indem bei Dachabdichtungen mit Kunststoffbahnen die Füße direkt mit Heißluft auf die Bahn aufgeschweißt oder mit aufgeschweißten Kunststoffstreifen gehalten werden. Die Lösung funktioniert nur bei entsprechend schweißbaren Bahnen und erfordert eine chemische Verträglichkeit der Komponenten. Rücksprache mit dem Anbieter der Bahnen ist zu empfehlen, wenn das System nicht ohnehin vom Hersteller der Abdichtung bezogen wird.
Bei Trapezblechdächern können die Fußpunkte von PV-Montagesystemen an den Hochsicken verschraubt werden. Dabei handelt es sich streng genommen nicht mehr um eine durchdringungsfreie Befestigung, doch mit abgedichteten Schraubverbindungen kann die Funktionalität des Dachs mit einiger Sicherheit bewahrt werden. Völlig ohne Perforation ist hingegen die Befestigung mit Falzklemmen an Stehfalzen von entsprechenden Metalldächern möglich. Hier sollte der Metallanbieter kontaktiert werden, um zu prüfen, welche Lasten der Falz abtragen kann und was im Hinblick auf die Auswahl der Falzklemme eventuell zu beachten ist.
Kein eigenständiges Regelwerk
Für die Konstruktion und Befestigung von PV-Montagesystemen auf dem Flachdach gibt es kein eigenständiges Regelwerk. Zu den Fragen der Allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung hat der Bundesverband Solarwirtschaft e.V. (BSW-Solar) jedoch verschiedene Informationen veröffentlicht.
Zudem liegt für den Nachweis der Lagesicherheit von durchdringungsfrei montierten Systemen das „Empfehlungspapier des BSW-Solar für Haftreibungskoeffizienten ballastierter Solaranlagen“ vor. Für den Schutz gegen Abheben, Umkippen oder Verschieben lässt sich mit den dort empfohlenen Haftreibungskoeffizienten für konkrete Materialkombinationen aus Abdichtung und Bautenschutzmatte sowie dem Windsog am Einbauort und dem Eigengewicht der Anlage der Nachweis zur Lagesicherheit führen.
Windangriffsfläche
Um die Windangriffsfläche in Grenzen zu halten, arbeiten viele Montagesysteme mit eher flachen Neigungen in Größenordnungen von 7° bis 15°. Das verbessert die Solarausbeute gegenüber einer flachen Montage, erreicht aber nicht das Optimum, das in Deutschland meist um 35° liegt.
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