Kluge Kompromisse

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Die meisten Hersteller, die an den Besprechungen für Montagesysteme teilgenommen haben, haben Flachdachsysteme ins Rennen geschickt. Sie sehen darin auch zukünftig ein großes Marktsegment, insbesondere für gewerblich genutzte Gebäude. Deren Dächer können oft nur wenig zusätzliches Gewicht tragen. Gleichzeitig sind Aufbauten durch viele Normen reglementiert. Wie lässt sich einerseits der Druck auf die Dachhaut gering halten, andererseits der Abfluss des Wassers gewährleisten? Und das alles mit geringen Kosten, Gewicht und Aufwand? Die Lösung ist bekannt – aerodynamische Systeme, die allein durch das Eigengewicht oder wenig Ballast auf dem Dach fixiert werden können. Nachdem sie anfänglich die Branche gespalten haben, bietet sie inzwischen fast jeder Hersteller an.

An der Machbarkeit zweifelt kaum noch jemand. Zwar wurden auch sehr schwer ballastierte Photovoltaikanlagen bei Stürmen wie Kyrill verschoben. Dies waren aber meistens falsch geplante Systeme, die ohne Ballastierungsplan nach der Devise „viel hilft viel“ mit etlichen Rasenkantensteinen, aber halt auch mit erheblichen Windangriffsflächen, zum Beispiel durch sehr große und dann auch noch hochkant montierte Module, aufgebaut waren. Die Hersteller von aerodynamischen Systemen lassen die Auswirkungen der Windkräfte inzwischen fast alle im Windkanal untersuchen und können mit diesen Ergebnissen die Systemstatik, also die notwendige Auslegung und Ballastierung, für verschiedene Standorte berechnen. Im Windkanal zeigte sich außerdem, dass am Dachrand die höchsten Kräfte auftreten, was auch schon früher bekannt war.

Einrücken zur Dachmitte bringt wenig

Versucht man allerdings, durch ein Einrücken der Modulfläche zur Dachmitte die Kräfte auf die Randmodule zu reduzieren, bringt der Windkanal eine erstaunliche Erkenntnis: Die im Randbereich durch Verwirbelung entstandenen Windkräfte reduzieren sich zur Dachmitte hin, da die Strömung wieder gleichmäßiger wird. An der ersten Modulreihe kommt es jedoch zu einer erneuten Verwirbelung, somit steigen die Kräfte wieder an. Ein Einrücken verringert somit kaum die abhebenden Kräfte an den ersten Modulen und auch nicht die notwendige Ballastierung. Es ist also nicht vorteilhaft, den Generator zur Dachmitte einzurücken, zumal am Rand die Lastreserven der Dächer etwas höher sind als zur Dachmitte hin. Der Generator kann dort meist mit der notwendigen Ballastierung montiert werden kann.

Bedingt durch die zur Verfügung stehenden Dächer und viele andere Vorgaben müssen die Systeme Eigenschaften aufweisen, die teilweise schwer gemeinsam zu erreichen sind. Die Hersteller legen dabei ein unterschiedlich starkes Gewicht auf unterschiedliche Details und finden häufig gute Lösungen für bestimmte Probleme. Nimmt man jedoch ein System umfassend unter die Lupe, zeigt sich sehr schnell, dass natürlich Kompromisse gemacht werden müssen, zumal der Zwang zur Kostenreduktion auch für die Montagegestelle gilt. Die Systeme müssen somit den Spagat schaffen zwischen der Einhaltung der technisch notwendigen Eigenschaften und der gültigen Normen, einer schnellen Verarbeitung auf der Baustelle zur Reduzierung von Montagekosten sowie einer hohen Funktionalität und Flexibilität, die auch bei teilweise recht unterschiedlichen Dachkonstruktionen und anderen Randbedingungen eine kostengünstige und fachgerechte Montage ermöglichen. Dabei muss das System inklusive der Ballastierung eine geringe Eigenlast aufweisen, und dies bei geringen Eigenkosten. Wie es Kompromisse so an sich haben, sind daher unterschiedliche Lösungen möglich. Welche am besten passt, hängt letztlich vom Anwendungsfall ab.

Dachentwässerung bedenken

Etliche der Kompromisslösungen haben Auswirkungen auf die Entwässerung auf dem Dach, ein bisher wenig diskutiertes Thema. Das sieht man zum Beispiel bei der Wahl der Auflagefläche. Auf der einen Seite soll sie groß sein, um die Kraft zu verteilen. Doch gerade bei langen Unterlagen staut sich unter Umständen Wasser, wobei bezüglich des Wasserabflusses auch die Frage der Montagegestellart eine Rolle spielt.

Ost-West-Systeme sind von den meisten Herstellern in der sogenannten A-Form konstruiert. Hier stoßen die Module an der erhöht montierten Seite aneinander. Die untere Seite ist mit einem Abstand zur nächsten Moduldoppelreihe montiert, so dass hier ein Wartungsgang entsteht. Abweichend hiervon sind Systeme in V-Form an der unteren Seite direkt nebeneinander montiert, der Wartungsgang ergibt sich durch einen Abstand der Reihen an der erhöht montierten Seite der Module.Regen wird bei der A-Form von den Modulen zum Wartungsgang hin abgeleitet. Bei der V-Form hingegen fließt das Wasser genau zu der am weitesten vom Wartungsgang entfernten Stelle. Die Querentwässerung wird bei der V-Form somit stärker behindert, worauf zum Beispiel mit höheren Füßen und kürzerer und somit geringerer Auflagefläche reagiert werden kann. Sind die Reihen untereinander mit Profilen verbunden, wird auch bei Systemen mit A-Form die Querentwässerung über die gesamte Länge des Generators behindert, wenn kein ausreichender Abstand zur Dachhaut besteht.

Bei Systemen mit Profilen längs der Reihe kann auch die Längsentwässerung behindert werden. Der Planer muss also projektbezogen prüfen, ob und wie die Anlage die Entwässerung behindert. Steigt das Wasser bei einem Platzregen zu stark an, kann es nicht nur ins Gebäude dringen und Schäden verursachen. Es kann auch zu einem Aufschwimmen der Photovoltaikanlage mit anschließendem Verrutschen kommen. Somit ist die ausreichende Entwässerung auch eine Frage der Systemstatik.

Ballastierungsvorteil für die V-Form

Die Statik ist der wichtigste Punkt, der bei einem Montagesystem beachtet werden muss. Das System soll über die Lebensdauer der Anlage allen Lastfällen gewachsen sein. Neben den Schneelasten sind dies bei durchdringungsfreien Systemen vor allem die abhebenden Windlasten, die zu einem Verrutschen und letztlich Abstürzen des Systems führen können.

Vorausgesetzt, dass die Erfassungsbögen korrekt ausgefüllt werden, erfolgt die Statikberechnung meistens durch die Hersteller. Hier wird neben den zu erwartenden Windlasten, die sich unter anderem aus der Windlastzone und der Gebäudehöhe ergeben, auch auf Besonderheiten geachtet wie die geometrische Form des Generators. Ein wesentliches Merkmal eines homogenen Generators mit aerodynamischer Aufständerung ist, dass zur Mitte hin nur geringe oder häufig sogar keine zusätzliche Ballastierung benötigt wird. Hier zeigt die V-Form gegenüber der klassischen A-Form Vorteile, da durch die Öffnung an der oberen Kante der Sog auf der Modulvorderseite auch auf die Rückseite wirken kann und sich somit teilweise kompensiert. Wegen der hierdurch geringeren abhebenden Kräfte kann somit die Ballastierung reduziert werden.

Trotz einer aerodynamischen Optimierung müssen die Systeme projektbezogen ballastiert werden. Bei der Berechnung wird eine Haftreibung angenommen, die sich aus Eigenschaften der Dachhaut, der Zwischenlage sowie Sicherheitsabschlägen zusammensetzt. Um bei geringen Lastreserven die Ballastierung reduzieren zu können, bieten einige Hersteller eine Messeinrichtung an, mit der die Haftreibung des Montagesytems auf der Dachhaut kontrolliert werden kann.

Hier ergeben sich aber zwei Probleme. Zum einen muss die Messung fachgerecht erfolgen, was die korrekte Anwendung der Messeinrichtung bedeutet. Für einen unerfahrenen Installateur besteht hier also ein gewisses Risiko einer Fehlmessung. Zudem ist die Haftreibung nicht nur von der Dachhaut und der Zwischenlage, sondern auch von der Feuchtigkeit oder von Verschmutzungen zwischen den Schichten abhängig.

Aus diesem Grund verzichten einige Hersteller auf derartige Messungen und Optimierungen, da ihnen das Fehlerpotenzial hier zu groß ist. Auch Änderungen im Verhalten sind durchaus möglich. So weisen Bautenschutzmatten mit Aluminiumkaschierung eine geringere Haftreibung auf, wenn sie trocken auf ein Foliendach gelegt werden. Feuchtigkeit zwischen beiden Materialien erhöht die Haftreibung. Ob aber ganzjährig mit dieser Feuchtigkeit und somit einer höheren Haftreibung gerechnet werden kann, ist zumindest fraglich.

Fest verbinden oder schwimmend lagern?

Auch die Modulbefestigung wurde von den Herstellern sehr unterschiedlich gelöst. Bei einigen Systemen wird klassisch mit Klemmen gearbeitet, wobei häufig nicht in den Viertelspunkten der langen Modulrahmenseite geklemmt wird, sondern an der kurzen Seite, teilweise auch in den Ecken. Auf Klemmen verzichten können Systeme mit Einlegeprofilen, ein Hersteller hängt die Module mit speziellen Haken im Rahmen ein.

Klemmen sind der Klassiker und bei den Monteuren seit Jahren bekannt. Dennoch sieht man als Gutachter immer wieder falsch geklemmte Module. Endklemmen haben die falsche Höhe und stehen dadurch schief, Module liegen zu weit auseinander, so dass die Mittelklemme nur knapp oder sogar nicht mehr auf dem Rahmen aufliegt. Bei sehr langen Profilen werden Dehnungsfugen mit Modulen überbaut, so dass unnötige Kräfte auf den Rahmen wirken. Auch wenn die meisten der vorgenannten Probleme eher im Bereich von Freiflächenanlagen mit sehr großen Modultischen auftreten, muss dies alles auch bei Flachdachaufständerungen beachtet werden.

Einlegesysteme und Haken, bei denen das Modul nur an der Ecke untergehakt wird, vermeiden diese Probleme, da die Module nicht fest verbunden sind, sondern schwimmend gelagert werden. Dadurch wirken nur sehr geringe Kräfte auf den Rahmen, auch wenn temperaturbedingte Längenänderungen des Montagesystems auftreten. Allerdings erfolgt das Einlegen oder Einhängen nicht in den üblichen Viertelspunkten der langen Modulseite. Da aber die meisten Modulhersteller das Klemmen nur in diesen Viertelspunkten bei der Statikprüfung testen lassen, muss für andere Befestigungslösungen eine Freigabe erfolgen. Auch bei Systemen, die Klemmen verwenden, ist bedingt durch die Konstruktion teilweise der Klemmpunkt außerhalb der in den Montageanweisungen der Modulhersteller angegebenen Bereiche. Gerade bei hohen Lastannahmen, wie man sie in schneereichen Regionen ansetzen muss, kann es hier knapp mit der Modulstatik werden. Hier bringt bei fehlender Freigabe nur ein Klemmen nach Vorgabe dem Installateur die Sicherheit, dass er später nicht für Modulschäden verantwortlich gemacht werden kann.

Chemische Verträglichkeit und Weichmacherwanderung

Ein anderer Punkt im Zusammenspiel von Dachhaut und Zwischenlage ist die Frage der chemischen Verträglichkeit. Vor allem bei Foliendächern aus PVC wird vor Weichmacherwanderungen gewarnt, die auf Dauer zu einem Verspröden der Dachfolie führen können. Als Folge hiervon kann die Dachhaut reißen. Dann muss umfassend saniert werden. Was zu einer Weichmacherwanderung führt, ist dabei durchaus strittig. Neben chemischen Einflüssen benachbarter Kunststoffe, wie sie zum Beispiel Bautenschutzmatten darstellen, soll eine UV-Bestrahlung die Weichmacherwanderung beschleunigen.

Auch mechanische Wechselbeanspruchungen sollen für die Weichmacherwanderung mitverantwortlich sein. Für ein Dach mit Photovoltaikanlage bedeutet dies, dass die Zwischenlage möglichst chemisch neutral sein sollte, was bei Bautenschutzmatten meist mit einer Aluminiumkaschierung erreicht werden soll. Dass die Photovoltaikanlage einen Teil der UV-Strahlung der Sonne abhält, wäre ein positiver Aspekt. Allerdings erzeugt die auf der Dachhaut aufliegende Anlage mechanischen Stress, der wiederum zu einem Austreiben der Weichmacher führen könnte. Leider bekommt man von den meisten Herstellern der Dachfolien keine weiteren Aussagen, so dass man nur mit den bisherigen Erfahrungen arbeiten kann. Für viele Projekte bedeutet dies, dass die Hersteller der Montagesysteme Bautenschutzmatten mit Aluminiumkaschierung anbieten, den Installateur aber darauf hinweisen, dass er für die Eignung und Verträglichkeit verantwortlich ist.

Die Fläche der Zwischenlage zwischen Montagesystem und Dachhaut, also die Auflagefläche, ist ein weiterer Gesichtspunkt, der beachtet werden sollte. Große Flächen verteilen die Last besser. Insbesondere bei Foliendächern, unter denen sich eine Dämmung befindet, werden dadurch punktuelle Kräfte vermieden, die ein Eindrücken der Dämmung und gegebenfalls auch Schäden an der Dachhaut provozieren können. Bei Montagesystemen mit kleiner Auflagefläche muss berechnet werden, ob die auftretenden Kräfte im für die Dachfolien zulässigen Bereich liegen. Da sich auch bei Einhaltung der Grenzkräfte der Fuß eindrücken kann, verwenden viele Installateure dennoch lieber Systeme mit hoher Auflagefläche. Auch viele Hersteller nehmen hier lieber etwas höhere Kosten durch mehr Material in Kauf.

Ein Problem ist auch die Frage, welche der bestehenden Normen und Richtlinien für eine Photovoltaikanlage auf einem Dach gültig sind. So gelten bestimmte Mineralwolle-Dämmstoffe als „druckbelastbar zum Beispiel unter lastverteilenden Böden“ und sollten nur in nicht genutzten Dachflächen eingebaut werden. Als nicht genutzt gelten auch Dächer, bei denen nur selten Belastungen auftreten wie normale Wartungsarbeiten. Dynamische Lastkomponenten sind auf jeden Fall zu vermeiden. Wahrscheinlich sind die durch eine Photovoltaikanlage auf Dachhaut und Dämmung wirkenden Kräfte in einem Bereich, der es erlaubt, eine Anlage auf einem Dach zu errichten, das aus den vorgenannten Mineralwolle-Dämmstoffen aufgebaut ist. Zumindest von einem Dämmstoff-Hersteller liegt eine entsprechende Aussage als E-Mail vor. Die Freigabe muss aber nicht unmittelbar bedeuten, dass dies auch bei anderen Materialien zutrifft. Somit ist die größere Auflagefläche der sicherere Weg bezüglich dieses Problems. Als nachteilig können sich dann aber die höheren Probleme bei der Querentwässerung erweisen.

Es gibt noch weitere Unterschiede der einzelnen Systeme, die von den Herstellern als Besonderheit herausgestellt werden und die eine fachgerechte, kostenoptimierte Errichtung sicherstellen sollen. Auch hier führen viele Wege zum Ziel. Die jeweiligen Merkmale können neben positiven Auswirkungen aber auch Auswirkungen in anderen Bereichen haben, die beachtet werden müssen, um die Sicherheit der Anlagen auf Dauer nicht zu gefährden. Was dem Planer und Installateur aber nie abgenommen werden kann: Nur er kennt die genauen Verhältnisse vor Ort und muss letzten Endes entscheiden, welches System die Anforderungen erfüllt.

Der Autor Udo Siegfriedt ist Gutachter beider DGS Berlin-Brandenburg (www.dgs-berlin.de) und bespricht für pv magazine Montagesysteme.

Montageinfos und Besprechung Montagsysteme

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