Ballastfrei durch Verkleben

Noch vor fünf Jahren hat Heinz Schlosser durch die Dachhaut geschraubt, um Montagegestelle auf Flachdächern zu befestigen. Damals hätte er nicht gedacht, dass es bald viel einfacher gehen würde. Heute nutzt der Dachdeckermeister ein aerodynamisch optimiertes System und verschweißt dieses außerdem mit der Dachhaut. Für ihn ist das die optimale Montagelösung für Flachdächer, die keine hohen Flächenlasten tragen können. „So ein großes Flächenpotenzial lässt man nicht einfach liegen“, sagt er über die geschätzten sieben Milliarden Quadratmeter Flachdachflächen in Deutschland. Für seine Kunden installiert der Dachdeckermeister aus dembeschaulichen Hiltersdorf in der Oberpfalz jedes Jahr etwa ein Megawatt photovoltaischer Leistung auf Foliendächern und vollzieht damit eine Entwicklung, die sich auch in der Marktübersicht ab Seite 74 zeigt.

Noch vor fünf Jahren kamen hauptsächlich zwei Möglichkeiten für die Montage auf Flachdächern in Frage. Entweder man verband die Solaranlage über Dachdurchdringungen mit den tragenden Dachbauteilen der Dachkonstruktion, oder man fixierte das System mit hohen Gewichten auf der Dachfläche – ohne Durchdringung. Erst 2007 traten in Deutschland die aerodynamisch optimierten Systeme ihren Siegeszug an.Die Nachteile der dachdurchdringenden Befestigung liegen auf der Hand: Die Konstruktionen müssen große Spannweiten überwinden, was materialaufwendig ist. Außerdem steigt mit jedem Loch in der Dachhaut die Gefahr von Undichtigkeiten. Wer ein Dach pachten möchte, hat mit dieser Methode ganz schlechte Karten. Gebäudeeigentümer lassen sich in der Regel höchst ungern ihr Dach durchlöchern. Das ist der Grund, warum dann die Montagesysteme auf den Markt kamen, die der Installateur zwar nur auf das Dach stellt, aber mit schweren Gewichten fixiert. Damit kann er zwar auf die Löcher im Dach verzichten, häufig spielt aber die Statik großer Hallendabei nicht mit. In Leichtbauweise errichtete Gebäude würden unter dem Gewicht von über 100 Kilogramm pro Quadratmeter zusammenbrechen. Diese Bauweise macht das Gros der zur Verfügung stehenden Lagerhallen und Gewerbebauten in Deutschland aus.

Aerodynamische Optimierung: Anfang eines Booms

Ein Zufall hat die Photovoltaikinstallateure 2007 aus dem Dilemma befreit, zwischen schweren Gewichten oder perforierten Dächern wählen zu müssen. Damals entdeckten die Produktentwickler des Gütersloher Unternehmens hb Solar ein Phänomen, das die Modulaufständerung auf Flachdächern auch ohne viel Ballast möglich macht: Bei aufgeständerten Modulreihen mit geschlossener Rückseite wirken die abhebenden Windkräfte wesentlich weniger stark als bei Modulen auf offenen Gestellsystemen. Weht der Wind von Süden, werden die Module sogar regelrecht auf die Dachfläche gedrückt. Dieser Effekt konnte in zahlreichen Windkanaltests, später auch im Auftrag anderer Hersteller, nachgewiesen werden. Das System Scirocco, das hb Solar infolge dieser Entdeckung entwickelte, kann dadurch nach Aussage des Herstellers in vielen Fällen ballastfrei aufs Dach gestellt werden. Am Anfang von anderen Herstellern misstrauisch beäugt, haben viele inzwischen nachgezogen. In unserer diesjährigen Marktübersicht geben die Hersteller bei knapp der Hälfte aller Produkte an, dass Installateure damit Module mit nur geringem zusätzlichem Ballast durchdringungsfrei auf dem Dach befestigen können. Es gibt kaum noch einen Hersteller, der nicht wenigstens eines seiner Montagegestelle aerodynamisch optimiert hat.

Wieso hat ein einfaches Blech solch großen Einfluss auf die Standfestigkeit einer Solaranlage? Einen Grund liefert der Nordwind, der von hinten auf die Modulreihen bläst. Die Module wirken dann wie die Tragflächen eines Flugzeugs. Der Wind greift darunter und hebt sie an. Selbst wenn die Solaranlage nicht gleich davonfliegt, werden die Module angehoben und auf dem Dach verschoben. Sind die Rückseiten jedoch geschlossen ausgeführt, kann der Wind nicht von hinten unter die Module greifen. Jetzt drückt er das System lediglich nach vorn, ohne es anzuheben.

Doch ein Windleitblech allein reicht nicht aus, um Module einfach so auf das Dach zu stellen. Weitere Maßnahmen, deren Wirksamkeit ebenfalls in Windkanaltests nachgewiesen wurde, sind für die Standfestigkeit einer Solaranlage auf dem Flachdach notwendig, zum Beispiel das Verbinden derUnterkonstruktion zu Reihen und Feldern. „Die Gesamtkräfte sind wesentlich kleiner als die Summe der am einzelnen Modul angreifenden Kräfte“, erklärt Windexperte Hans Ruscheweyh (siehe Kasten Seite 72).

Der Professor für Windingenieurtechnik und Vorsitzende der Windtechnologischen Gesellschaft e.V. hat im Windkanal seines Aachener Strömungslabors noch andere Feststellungen gemacht, zum Beispiel dass in einem Feld aus aufgeständerten Modulreihen nur die Rand- und Eckenbereiche den maximalen Windlasten ausgesetzt sind. In der Mitte des Feldes wirken viel geringere Kräfte, weil die Module dort im Windschatten der äußeren Reihen liegen. Und dass bei südlichen Winden Druckkräfte an den Modulen entstehen, die aber weitgehend dadurch kompensiert werden, dass gleichzeitig auf der Dachhaut ein Unterdruck entsteht und somit die Dachkonstruktion nicht zusätzlich belastet wird. Außerdem setzt die Dachoberfläche im Zusammenspiel mit dem Gewicht derAnlage den horizontalen Windkräften einen Widerstand entgegen, der in die statische Berechnung mit einfließt.

Fürs Bauchgefühl schweißen

Obwohl vielen frei aufgestellten Systemen bescheinigt wird, dass sie Windgeschwindigkeiten bis zu 200 Stundenkilometern ohne Befestigung standhalten, hat Dachdeckermeister Heinz Schlosser eine andere Variante der ballastfreien Photovoltaikinstallation gewählt. „Bei vielen Kunden sagt das Bauchgefühl: Es ist mir lieber, dass die Module fixiert sind.“ Deshalb setzt Schlosser Montagesysteme ein, die zwar ebenfalls aerodynamisch optimiert sind, die die Horizontalkräfte aber nicht über Reibungswiderstände und zusammenhängende Modulfelder abfangen. Stattdessen schweißt er die Profilhalter für die Unterkonstruktion auf der Dachfolie fest – was nichts anderes heißt, als dass identische Folienmaterialien erhitzt aufeinandergepresst und dadurch zu einer Einheit verbunden werden. Sunova hat solcheProdukte zunächst für eine dachparallele Montage entwickelt, seit 2010 ist auch das Aufständern der Module mit dieser Methode möglich. Ähnliche Ansätze verfolgen der belgische Dachspezialist Renolit mit seinem Montagesystem Alkorsolar sowie Centrosolar mit dem System Ceniq, das das Unternehmen auf der Intersolar 2011 vorgestellt hat. Der Unterschied: Während Alkorsolar rein für die Bedachungsmaterialien PVC und EVA geeignet ist, kann das MCG 3.0 von Sunova auf PVC und nach Aussage des Herstellers auf den qualitativ hochwertigeren FPO-Folien verschweißt werden. Centrosolar geht mit dem Ceniq nach eigenen Aussagen auf alle Arten von Folien sowie auf Bitumendächer. Es gibt noch etliche weitere Systeme, die über eine Heiß- oder Kaltklebeverbindung auf der Dachhaut fixiert werden können. In der Marktübersicht finden sich insgesamt 21 Produkte mit Klebeverbindung. Allerdings sind nicht alle auf eine niedrige Windangriffsfläche aerodynamisch optimiert.

Was sagen aber die Foliendachhersteller dazu, dass hier ganze Metallkonstruktionen inklusive Modulen an der Dachhaut befestigt werden? Reißen die nicht einfach irgendwann ab? Das Gegenteil sei der Fall, meint Heinz Schlosser. „Das Tolle ist, dass ich mit dieser Methode zwei Fliegen mit einer Klappe schlage“, sagt der Dachdeckermeister. Die Anzahl der Befestigungspunkte, die ein Foliendach mit der Unterkonstruktion verbindet, wird für die entsprechende Windlastzone und Gebäudehöhe nach der DIN 1055 ausgelegt. Soll zusätzlich eine Photovoltaikanlage daran befestigt werden, so bleibt die Anzahl der Befestigungspunkte trotzdem die gleiche, sagt Schlosser. Denn die Solaranlage sichere die Lage der Dachfolie, die sich ohne Beschwerung bei starkem Wind gerne schon einmal aufbläht – ein grundsätzliches Problem bei Foliendächern. Die Dachfolie nimmt zwar die Horizontalkräfte, die an der Solaranlage wirken, an den Verbindungsstellen auf und leitet sie in die Unterkonstruktion ein. Dabei ist es ein Irrtum zu glauben, dass nur durch die Befestigung die Horizontalkräfte auf die Dachbahn übertragen werden. Fehlt die Befestigung und verrutscht die Photovoltaikanlage nicht, werden die Kräfte durch Reibung auf die Dachfläche gebracht.

Längere Garantie fürs Dach

Dass auch die Hersteller von Dachfolien hinter dem Verschweißen stehen, drückt sich beim Dachbahnenhersteller Sika, der das Produkt gemeinsam mit Sunova entwickelt hat, auch in Zahlen aus. „Mit diesen Montagesystemen bekomme ich bei bestimmten Dachfolien sogar eine Garantieverlängerung“, sagt Dachdeckermeister Schlosser, „normalerweise gibt Sika zehn Jahre Gewährleistung, mit einer Sunova-Anlage oben darauf erhöhen sie auf 20 Jahre.“ Auch Centrosolar konnte bei der Entwicklung des Ceniq auf die langjährige Erfahrung eines der größten deutschen Bedachungsunternehmen zurückgreifen. Schon seit vier Jahren arbeitet der Modulhersteller mit Pohlen Bedachungen zusammen. Igor Rauschen entwickelt für das Joint Venture Centroplan Großprojekte auf Flachdächern. Auch er ist von den Vorteilen der Verschweißung überzeugt. „Ich bin nicht angewiesen auf große Modulfelder“, sagt er, „im Prinzip kann ich jedes Modul einzeln aufstellen.“ Das sei hilfreich, wenn man eine Dachfläche so gut wie möglich ausnutzen möchte. Dabei spare das System Ceniq viel Material ein, zumindest im Vergleich zu den einfach aufgestellten Montagesystemen, wenn bei diesen die Unterkonstruktion stabil zu Feldern zusammengeschlossen wird, so dass die Windkräfte besonders wirkungsvoll übertragen werden können. Denn dazu müssen die verbindenden Profile sehr stabil ausgebildet sein. „Ich habe schon verbogene Profile gesehen und verschobene Reihen trotz der Verbindungen“, sagt Rauschen. Ein weiterer Vorteil sei der freie Wasserabfluss auf dem Dach und dass die Modulanordnung nicht mit der Blitzschutzanlage kollidiere.

Doch wie sieht es mit der Gewährleistung aus? „Derjenige, der das Dachursprünglich erstellt hat, ist aus der Gewährleistung raus, sobald ein anderer auf dem Dach gearbeitet hat“, sagt Manfred Gunkel, technischer Berater des Zentralverbands der Dachdecker. Er habe ja keinerlei Sicherheit, dass die Photovoltaikinstallateure nicht durch ihre Arbeiten die Dachhaut auch an anderer Stelle beschädigt hätten. Derjenige, der das Vorgewerk verändert – das Vorgewerk ist in diesem Fall die Dachhaut, an die etwas angeschweißt wird –, muss die Verantwortung für die Qualität der Arbeit des vorangegangenen Handwerkers und damit für die Dichtigkeit des Daches übernehmen.

Für Heinz Schlosser ist das kein Problem. Die meisten Aufträge bekommt der Dachdeckermeister sowieso über die vorherige Sanierung von Flachdächern. Deshalb kann Schlosser die Dächer der Kollegen getrost meiden und die Photovoltaik meist auf selbst erstellten Dachflächen installieren. Auch Gisela Berndt geht gerne auf Nummer sicher. Um das Installieren von Solaranlagen auf Flachdächern hat die Dachdeckermeisterin aus Woltersdorf bei Berlin deshalb lange einen Bogen gemacht. „Die Sache mit der Dachdurchdringung war mir einfach zu heikel“, sagt Berndt.

Gewährleistung übernehmen?

Jetzt geht sie mit einer Photovoltaikinstallation sogar auf ein bestehendes Foliendach, das ihre Mitarbeiter nicht selbst eingedeckt haben – mit dem Renolit-System Alkorsolar. Beim Alkorsolar werden Kunststoffprofile mit Aluminiumkern neben den Nähten der Dachbahnen verschweißt. Die drei Meter langen Profile verlaufen so standardmäßig parallel zur Dachneigung. Regen- und Tauwasser kann ungehindert abfließen. Auf den innenliegenden Aluprofilen kann dann die Aufständerung der Module verschraubt werden. „Der Dachdecker hat sich gefreut, dass ich die Gewährleistungfür ihn übernehme“, sagt Berndt. Sie habe deshalb mit ihren Mitarbeitern das Dach, das im letzten Frühjahr erstellt wurde, auf Herz und Nieren geprüft: Statikbericht, Begehung, Prüfung der Nähte und der Anzahl der Befestigungspunkte an der Unterkonstruktion. „Man sieht schon: Das Dach ist sehr gut ausgeführt, es hat sogar wesentlich mehr Windlastbefestiger als notwendig“, stellt Berndt fest.

Das Risiko, dass Handwerker die Gewährleistung anderer Handwerker übernehmen müssen, lässt sich außerdem relativieren. Die Gewährleistungsübernahme gilt nämlich nach Aussage von Manfred Gunkel nicht nur für an der Dachfolie befestigte Systeme, sondern für jegliche Installation von Solaranlagen. Gunkel empfiehlt deshalb, alles in einer Hand zu belassen. Derjenige, der das Dach erstellt hat, sei am besten dafür geeignet, nachträglich die Solaranlage darauf zu montieren. Centrosolar-Produktentwickler Miroslav Bjelobrk siehtden Sachverhalt noch differenzierter. „Es ist nicht möglich, dass ein Dachdecker sich komplett aus der Gewährleistung entzieht, nur weil ein anderes Gewerk etwas darauf geschweißt hat“, hält er dagegen. „Wir haben das rechtlich prüfen lassen. Wenn es Undichtigkeiten gibt, wird geschaut, wer ursächlich verantwortlich ist.“

Am besten sanieren

Wenn unklar ist, ob die Qualität eines Bestandsdaches ausreicht, ist es bei allen Anbietern möglich, Proben von der Dachhaut im Labor zu testen. „Aber in der Regel ist das gar nicht notwendig“, sagt Bjelobrk. Als geübter Dachdecker stelle man relativ schnell fest, ob eine homogene Verbindung zwischen den Kunststoffschichten möglich ist. Wenn das der Fall ist, spreche nichts gegen eine solche Installation.

Egal, für welches Montagesystem sich ein Dacheigentümer oder ein Installateur entscheidet – ob ballastarm frei aufgestellt oder ballastfrei mit Dachhautverbindung –, entscheidend für den Erfolg des Projekts ist eine fachgerechte, fehlerfreie Ausführung. Für Konstruktionen mit Schweißverbindungen zur Dachhaut gilt: Nur ausgebildete Dachdecker sollten diese Art der Installation ausführen. Außerdem sollten sie sich bei allen Arbeiten auf einem Foliendach, ganz gleich ob mit oder ohne Verschweißung, mit Dachhautmaterialien auskennen, Bautenschutzmaterialien in ausreichender Menge einsetzen und den Wasserablauf im Auge behalten. Heinz Schlosser plädiert deshalb dafür, ein Dach vor der Montage einer Photovoltaikanlage zu sanieren. „Dann habe ich die Sicherheit für 20 Jahre.“

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Aerodynamik von Photovoltaikanlagen auf Flachdächern

Die Windkräfte, die an aufgeständerten Photovoltaikanlagen auf flachen Dächern angreifen, werden rechnerisch in horizontale Kräfte und vertikale Kräfte aufgeteilt. Die horizontalen Kräfte werden auch Schubkräfte genannt. Wie der Name schon sagt, drücken sie gegen die aufgeständerten Module und verschieben diese unter Umständen auf der Dachfläche. Die vertikalen Kräfte, auch Sog- oder Druckkräfte genannt, drücken die Module aufs Dach oder heben sie an. Ist eine Anlage nicht ausreichend gegen die auftretenden Windkräfte gesichert, wandert sie auf dem Dach. Im schlimmsten Fall fliegt sie davon.

Folgende Parameter wurden in zahlreichen Windkanalversuchen nachgewiesen. Sie bilden die Grundlage für die Auslegung einer aerodynamisch optimierten Anlage:

• Rückseitenbleche an aufgeständerten Modulen mindern effektiv die abhebenden Windkräfte.

• Durch eine stabile Verbindung der Module zu Reihen und Feldern werden die an den Rändern angreifenden starken Windlasten auf das Gesamtfeld verteilt und deren Wirkung dadurch gemindert.

• Die auftretenden Windlasten wirken nur in den Randbereichen in vollem Umfang. Die Ränder schirmen den mittleren Bereich ab, in dem nur noch sehr geringe Windlasten auftreten. Auch Attiken, Lichtkuppeln und andere Dachaufbauten wirken sich auf die Berechnung der Windlasten an der Solaranlage aus.

• Der Neigungswinkel der Module hat einen großen Einfluss auf die Windlasten. Je flacher die Module aufgeständert sind, umso geringer fallen die Windlasten aus.

• Während der Südwind die Module auf die Dachhaut drückt und damit zusätzlich fixiert, hebt sie der Wind aus Norden an und baut gleichzeitig einen Horizontaldruck auf. Die steilen Rückseitenbleche vermindern zwar den Auftrieb, verstärken aber den Horizontalschub. Den hier auftretenden Horizontalkräften werden rechnerisch der Verbund des Modulfeldes sowie der Reibungswiderstand der Dachhaut entgegengesetzt.

Wurde ein Montagesystem im Windkanal getestet (Achtung: nur in einem sogenannten Grenzschichtwindkanal ist dies möglich), dann bekommt der Hersteller im Ergebnis die hier ermittelten Horizontal- und Vertikalkräfte, die bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten auftreten. Unter Kenntnis der Windlastzone, der Gebäudegeometrie und der Oberflächenbeschaffenheit der Dachhaut kann der Statiker mit Hilfe dieser Werte die Anlage richtig auslegen. Er kann Aussagen darüber treffen, ob und wie viel Ballast in den Randzonen aufgebracht werden muss oder ob die Anlage ohne zusätzliche Ballastierung aufgestellt werden darf.

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