Ein befreundeter Landwirt plante im Sommer 2020, seine Scheune zu vergrößern. Diese Maßnahme umfasste eine neue Dacheindeckung, eine Photovoltaikanlage und den Einbau einer solar unterstützten Heutrocknungsanlage. Die Auslegung der Heutrocknung übernahm die Landwirtschaftskammer Vorarlberg (LKV). Das Projekt bot für Darvid Huhn die Grundlage seiner Masterarbeit, die von Bastian Zinßer betreut wurde.
Erfreulicherweise fand die geplante Montage der Photovoltaikanlage im Spätsommer 2021 nach Abschluss der Masterarbeit statt. Dieser Artikel beschreibt die Erfahrungen, die bei der Montage auf einem mit Wellplatten gedeckten Dach gemacht wurden, und vergleicht sie mit der Montage auf Trapezblech.
Konstruktion des Dachstuhls
Wichtig war die Kombination der Solartechnik mit der Heutrocknung. Sie könnte ein Vorbild für viele ähnliche Projekte sein – auch über die Grenzen von Vorarlberg hinaus.
Die Konstruktion eines Satteldachs besteht aus Holzsparren und parallel verlaufenden Konterlatten. Darauf sind horizontal verlaufende, starke Dachlatten beziehungsweise Pfetten genagelt.
Als Besonderheit gilt die im Alpenraum hohe örtlich anzusetzende Schneelast von 3,77 Kilonewton pro Quadratmeter bereits auf 700 Metern Höhe. Daher beträgt der Sparren- und Pfettenabstand jeweils 70 Zentimeter. Dämmung oder Verschalung sind bis auf den Dachkasten im Traufbereich nicht vorhanden.
Das System zur Heutrocknung
Die Warmbelüftung des Heus steigert dessen Qualität und Lagerfähigkeit. Eine der Grundfläche des Heustocks entsprechend große, durch Photovoltaik überdeckte Dachfläche stellt die Wärme unterstützend zur Verfügung.
Das östliche Modulfeld benötigt zur Verkehrssicherung einen Schutz vor Dachlawinen. Ein Einlegesystem integriert einen Schneefang und reduziert gleichzeitig die Spalte zwischen den Solarmodulen und damit den Wärmeverlust.
Ein Gebläse befördert Warmluft zum Heustock
Das Einlegesystem erfordert zwei Schienenlagen: Eine parallel zum Ortgang verlaufende erste Schienenlage und die Einlegeschiene in horizontaler Ausrichtung. Ein Gebläse befördert die Luft vom Dach in den Fuß des Heustocks. Für einen optimalen Wärmetransport vom Dach zum Heu ist die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Abstand zwischen Modulen und Eindeckung (hier: Wellental) entscheidend.
Laut LKV ist auf der Ostseite ein Abstand von 130 Millimetern und auf der Westseite von 110 Millimetern ideal. Die Höhen unterscheiden sich, um eine gleichmäßige Ansaugung der unterschiedlich großen Ost- und Westfläche zu erreichen. Laut eigener Literaturrecherche wirkt sich die verringerte Hinterlüftung bei Gebläsestillstand nicht nennenswert auf den Solarertrag aus.
Foto: Darvid Huhn
Foto: Novotegra
Faserzement statt Asbest
Wellplatten aus Faserzement (Eternit) sind in der Landwirtschaft sehr verbreitet. Die Landwirte kennen das Material und geben ihm bei einer Erneuerung der Dacheindeckung gerne den Vorzug gegenüber anderen Eindeckungen wie zum Beispiel Trapezblech.
Für den Ersatz der alten asbesthaltigen Wellplatten standen neue Wellplatten oder Trapezblech zur Auswahl, die im Folgenden verglichen werden. Zum Einsatz kamen das Montagesystem Novotegra und das Planungstool Solar Planit der Firma Baywa r.e. Alle Angaben im Text beziehen sich auf die Montageanleitungen. Die Einlegeschienen mit integriertem Schneestopp stammen von der Firma Kienzler Vöhrenbach.
Aufmaß der Dachkonstruktion
Das Aufmaß der Dachkonstruktion ist für Wellplatten und Trapezblech gleichermaßen nötig, um die Tragfähigkeit inklusive der Zusatzlast durch die Solarmodule zu beurteilen. Der große Unterschied ist, dass bei Wellplatten eine tragende Verbindung zwischen Montagegestell und darunterliegender Konstruktion geschaffen werden muss.
Bei Trapezblech erfolgt eine Direktbefestigung auf der Blecheindeckung. Solange der Dachdecker das Blech ordnungsgemäß mit dem Dachstuhl verbunden hat, ist der Dachstuhl für das Montagegestell und die weitere Planung nicht weiter relevant – ganz im Gegenteil zu Wellplatten.
Sie sind laut Hersteller grundsätzlich als nicht begehbar und nicht durchbruchsicher zu betrachten. Bei Dacharbeiten bergen sie eine erhöhte Gefahr und machen weitere Schutzmaßnahmen wie Fangnetze oder Laufbretter notwendig. Trapezblech ist bei dem vorhandenen Pfettenabstand als
sicher zu betrachten.
Details der Verschraubung
Bei Wellplatten kommen Stockschrauben (StS) Einsatz, die durch die Wellplatten hindurch in die Pfetten geschraubt werden. Eine Stockschraube verfügt an einem Ende über ein selbst schneidendes und am anderen über ein metrisches Gewinde. Für die Montage der Schraube ist die Kenntnis, an welcher Stelle die Pfette unterhalb der Wellplatte verläuft, zwingend erforderlich. Diese trivial erscheinende Anforderung kann sich bei der Montage als äußerst schwierig erweisen.
Zuarbeit des Dachdeckers
Bestenfalls wurde der Dachdecker (nur beim Neubau möglich) gebeten, die für die Unterkonstruktion erhöhte Anzahl an Bohrungen bei der Verlegung der Wellplatten bereits vorzunehmen. In unserem Fall hat der Dachdecker zwar – wie erbeten – jeden dritten Wellenberg mit einer Schraube versehen, aber nur in jeder zweiten Pfette. Daher musste das Montageteam eine mühselige Suche und Markierung der Pfetten mittels Schlagschnur durchführen. Das war über eine Länge von 14 Metern und bei einer Neigung von 23 Grad nicht trivial und zeitaufwendig.
Pfetten bei Wellplatten
Die Dimensionen der Pfetten (80 mal 50 Millimeter) sind für die Montage der Stockschrauben äußerst relevant. Um ein Aufplatzen der Pfetten zu vermeiden, soll die Schraube mittig in die Pfette gesetzt werden.
Zum Pfettenrand ist ein Mindestabstand einzuhalten (dreimal Schraubendurchmesser, hier 30 Millimeter). Der resultierende schmale Einschraubstreifen (20 Millimeter) muss im Eifer der Dachmontage erst einmal getroffen werden!
Eine Stockschraube soll am höchsten Punkt eines Wellenberges und senkrecht zur Wellplatte eingedreht werden. Das ist nötig, damit die Dichtung möglichst symmetrisch und flächig abdichten kann. Gerade bei der Montage hat sich diese Anforderung als sehr schwierig erwiesen.
Einspannlängen der Schrauben
Jede Schraube erfordert eine Mindesteinspannlänge, bei M10 mehr als 40 Millimeter und bei M12 mehr als 60 Millimeter. Die Pfettenstärke erlaubt demnach nur die Verwendung von M10-Schrauben. Eine M10-Schraube hält im Vergleich zu einer M12 nur geringeren mechanischen Belastungen stand. Die Folge: Statt 300 M12-Schrauben wurden fast 500 Stück M10 notwendig. Beim Dachneubau lässt sich diskutieren, um ein Optimum zwischen Schrauben und ihrer Montagezeit und eventuell stärkeren Pfetten zu finden.
Beschaffung der Bohrer – nicht trivial!
Zum Setzen einer Schraube muss zunächst die Pfette vorgebohrt werden. Falls direkt unter der Pfette ein Sparren verläuft, bietet es sich an, die Schraube ebenfalls in den Sparren zu schrauben. Eine M10-Stockschraube erfordert einen nicht ganz üblichen 7,5-Millimeter-Bohrer. Bei einer Profilhöhe der Wellplatten von 51 Millimetern, einer Pfettenstärke von 50 Millimetern und eventueller Versenkung im Sparren wird ein Langbohrer benötigt. Die Beschaffung eines Holz-Langbohrers (zur Not für Metall) muss bei der Arbeitsvorbereitung unbedingt berücksichtigt werden – so ein Werkzeug gibt es nicht im Baumarkt!
Aufwendige Bohrarbeiten
Nach dem ersten Bohren muss das Loch in der Wellplatte allerdings mit einem 14er-Bohrer aufgebohrt werden, damit der Konus der Dichtung sauber abschließen kann. Für eine gute Abdichtung muss der Bohrer unbedingt eine Öffnung ohne Ausrisse und Ausfransungen schaffen. Dafür und zur Erhaltung der Schnitthaltigkeit des Holzbohrers eignen sich spezielle Fliesenbohrer mit einer Pfeilspitze – ebenfalls kein Standard im Baumarkt. Das Aufbohren ist mit Staubentwicklung verbunden, es muss eine Atemschutzmaske getragen werden.
Auf jeden Fall ist das Bohrloch in einem extra Arbeitsschritt mit einer Bürste (besser einem feuchten Lappen) von Zementresten und Staub zu befreien, um den korrekten Sitz der Dichtung zu gewährleisten. Holzspäne und Zementstaub fallen in das Innere der Scheune.
Erforderliche Abstände für die Heutrocknung
Bei der Schraubenmontage ist zu berücksichtigen, dass das Schraubenende nicht über die erste Schienenlage hinausragen darf, um die zweite Lage nicht zu behindern. Anhand einer Lehre wird die Schraube auf den passenden Abstand eingedreht. Gleichzeitig muss genug Gewindelänge vorhanden sein, um den für die Heutrocknung erforderlichen Abstand zwischen Dach und Solarmodul einzustellen.
Der kleinste einstellbare Abstand ergibt sich durch die Profilhöhe der Wellplatten, Höhe der Dichtung, zwei Muttern und erste Schienenlage zu 130 Millimetern. Der optimale Abstand von 110 Millimetern konnte bei Wellplatten mit Stockschrauben auf der Westseite somit nicht eingestellt werden.
Ziel: optimale Trocknung
Nach Rücksprache mit der LKV wurde der Abstand neu auf 150 und 130 Millimeter festgelegt. Die Ost-West-Differenz war weiterhin 20 Millimeter bei gleichzeitiger Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit, die hoffentlich weiterhin eine optimale Trocknungsleistung erzielt.
Beim Trapezblech kann der Abstand zwar nicht komplett stufenlos, aber dennoch vielfältig eingestellt werden. Durch geschickte Kombination verschiedener Profilhöhen des Blechs und Höhen der Kurzprofile können Abstände zwischen 45 Millimeter und 250 Millimeter erreicht werden.
Gute Planung reduziert den Aufwand
Diese Kombination geschieht bei der Planung in aller Ruhe im Büro. Auf der Baustelle werden Arbeitsschritte (Überlegen, Nachmessen, 500 Muttern abschrauben, Höhen/Längen einstellen und so weiter), Montagezeit und Fehlerquellen erheblich reduziert.
Das Eindrehen der Stockschrauben erfordert einen starken Akkuschrauber und bei Versenkung im Sparren einen starken Griff oder sogar das Bein zum Kontern des Schraubers. Zur Abdichtung der Dachdurchdringung wird die Dichtung mit einer Sperrzahnmutter vorsichtig gegen die Dachhaut gepresst. Optimal sollte die Dichtung nicht über einem Gewinde liegen, sondern am glatten Schaft dazwischen.
Foto: Darvid Huhn
Probleme der Schienenmontage
Danach wird die untere Sperrzahnmutter (Verzahnungsseite nach oben) auf die Stockschraube inklusive Positionierung der Mutter mittels Lehre aufgedreht – für alle 500 Schrauben einzeln. Danach werden die Schienen der ersten Lage auf die Schrauben gesetzt (Schienen-Langlöcher unten). Die erste Lage besitzt durch die hohe Schneelast 27 Schienen mit einer Länge von knapp acht Metern.
Dies erfordert Schienenverbinder mit entsprechenden Kosten und Arbeitsaufwand. Wie zu erwarten, sind nicht alle Schrauben in einer Flucht: Am Ostdach wurde an mindestens einer der elf Stockschrauben pro Schiene das Langloch nicht getroffen. Zu den Holzspänen und zum Faserzementstaub gesellen sich nach kleinteiliger Arbeit noch Aluminiumspäne durch
das Flexen.
Eine Höhenkorrektur (Nivellieren mittels Schnur) der einzelnen Muttern gleicht Unebenheiten des Daches aus und erzeugt eine ebene Modulfläche. Mit der dritten Mutter und entsprechendem Drehmoment erfolgt die endgültige Fixierung der ersten Schienenlage.
Trapezblech im Vergleich: Statt einer acht Meter langen Schiene genügen laut Planungstool acht kurze Schienenstücke auf dem Trapezblech. Statt 27 Reihen für die erste Schienenlage bei Wellplatten werden 13 Reihen-Kurzprofile benötigt.
Über die Länge dieses Kurzprofils hinweg wird die exakte Position der Einlegeschiene für die Modulmontage flexibel einjustiert – wie bei einer durchgehenden Schiene des Stockschraubensystems. Der immense Vorteil gegenüber Wellplatten: Die Bindung des Montagegestells an die Position und Dimension der Pfetten entfällt.
Kurzprofile besser als Langschienen
Zwei bis vier selbst schneidende, spanfreie Dünnblechschrauben fixieren das Kurzprofil auf der Hochsicke des Blechs. Damit ist die erste Schienenlage komplett montiert. Im beschriebenen Fall genügen 170 Profile mit jeweils zwei Schrauben – im Vergleich zu 500 Stockschrauben bei Wellplatten. Es ist kein mehrmaliges Bohren (ohne Staub, Holz- und Aluspäne), kein Einstellen des Dach-Modul-Abstandes, kein aufwendiges und fragwürdiges Abdichten des Bohrloches sowie kein anderer Arbeitsschritt mehr erforderlich.
In Dimension, Gewicht, Preis und Handling ist eine Dünnblechschraube nicht annähernd mit einer Stockschraube zu vergleichen. Statt 500 Löchern mit 14 Millimetern Durchmesser bei Wellplatten sind für Trapezblech nur 340 Löcher mit sechs Millimeter Durchmesser nötig.
Je mehr Schrauben, desto mehr Aufwand und desto höher die Wahrscheinlichkeit einer Undichtigkeit. Allerdings bieten mehr Schrauben eine größere Lastverteilung.
Abdichtung der Schraublöcher
Die vorkonfektionierten Dichtscheiben der Schrauben und die werksseitige Dichtung unter dem Kurzprofil dichten im gleichen Arbeitsgang die Dachdurchdringung automatisch ab. Trapezblech bietet keine Möglichkeit der Höhenkorrektur, das Modulfeld liegt parallel zum möglichst ebenen Dachstuhl und gewährleistet überall gleiche Abstände für
die Heutrocknung.
Die Fixierung der Einlegeschiene auf der ersten Lage erfolgt für Wellplatten und Trapezblech analog mittels Kreuzverbinder und mit entsprechendem Anzugsmoment. Allerdings sind durch die 27 Reihen bei Wellplatten 700 Verbinder nötig, beim Trapezblech knapp 350.
Vergleich des Gewichts und der Kosten
Viele Schienen und Verbinder bedeuten nicht nur höheren Montageaufwand, sondern auch höheres Gewicht beim Transport und als Dachlast. Bei Wellplatten summieren sich die Montageteile auf rund 400 Kilogramm, bei Trapezblech auf rund 90 Kilogramm.
Preislich gibt es erhebliche Differenzen (laut Planungstool): Die Konstruktion auf Wellplatten kostet 4.900 Euro, auf Trapezblech 1.575 Euro (Preise auf dem Stand von Q3/2021).
Anmerkungen zur Statik
Der für die Heutrocknung notwendige Abstand bewirkt starke Biegemomente auf die Stockschraube und Torsionskräfte auf die Holzpfetten. Wird hingegen der Abstand über die Profilhöhe des Bleches eingestellt, kann das Kurzprofil direkt und flächig auf der Sicke des Profils montiert werden. Es treten deutlich geringere Kräfte auf.
Zudem macht sich die Längenausdehnung der Aluschienen aufgrund von Schwankungen der Temperaturen zwischen Tag und Nacht sowie Sommer und Winter bemerkbar. Dadurch ermüdet das Material. Man muss mit Undichtheiten am Eintrittspunkt der Stockschraube in die Wellplatte rechnen.
Beim Trapezblech sind die Befestigungspunkte durch die Einlegeschiene ebenfalls horizontal miteinander verbunden. Die Kurzprofile sind in vertikaler Richtung jedoch voneinander mechanisch entkoppelt, da die Solarmodule in der Einlegeschiene schwimmend gelagert und nicht fest verklemmt sind.
Warum dennoch Wellplatten?
Wellplatten sind diffusionsoffen und wirken feuchteregulierend, ohne Tauwasser zu bilden. Bei Trapezblech sieht es anders aus: Zwar schirmen die Solarmodule das Blech vor kalter Umgebungsluft und vor Wärmeabstrahlung ab. Dennoch kann nicht garantiert werden, dass sich warme und durch die Heutrocknung mit Feuchtigkeit angereicherte Luft am kälteren Blech niederschlägt.
Die Funktion der Scheune ist es, das Heu trocken zu halten. Daher ist die Bildung von Kondensat, das gegebenenfalls sogar abtropft, unbedingt zu vermeiden. Hierzu gibt es Bleche mit einem rückseitig aufgebrachten Anti-Kondensat-Vlies. Zum einen wird die Wasseraufnahmefähigkeit durch den Heustaub im Innenraum in kurzer Zeit negativ beeinträchtigt. Zum anderen handelt es sich um einen Verbundstoff, der die Recyclebarkeit des Dachmaterials verringert.
Schützendes Unterdach
Als Lösung bietet sich ein dünnes Unterdach aus am Hof produzierten Brettern vom eigenen Wald oder Grobspanplatten an. Darauf werden eine diffusionsoffene Unterspannbahn und die bereits vorhandenen Konterlatten platziert, die wiederum die Pfetten und das Blech tragen.
Dieses Unterdach bietet einen effektiven Schutz vor Kondensat und bewirkt, dass ein abgeschlossener, optisch ansprechender Innenraum hergestellt wird und der Heustaub sich nicht im gesamten Dachstuhl festsetzt. Die hierbei erwarteten Mehrkosten werden durch die oben beschriebenen Vorteile in der Montage bei Weitem aufgewogen.
Im vorliegenden Fall waren die Bedenken zum Kondensat so groß, dass letztlich – ungeachtet des Mehraufwandes für die Montage der Solarmodule – Wellplatten zur Eindeckung gewählt wurden. Letzten Endes hat sich der Mehraufwand gelohnt: Die Solaranlage (43 Kilowatt) glänzt auf dem Kristahof in der Sonne, versorgt ihn daraus mit sauberem Strom und liefert ihren Beitrag zur Energiewende.
Foto: Darvid Huhn
Die Autoren
Darvid Huhn
hat nach dem dualen Studium der Elektrotechnik in Kooperation mit dem DLR in Stuttgart bis 2021 als Mitarbeiter im technischen Dienst gearbeitet. Nach dem Master in Nachhaltige Elektrische Energieversorgung arbeitet er seit 2022 als Systemingenieur für die Lumenion GmbH an Hochtemperatur-Stahlspeichern.
Bastian Zinßer
interessierte sich bereits als Jugendlicher für Photovoltaik. Später promovierte er an der Universität Stuttgart über Jahreserträge von Photovoltaikanlagen bei unterschiedlichen klimatischen Bedingungen. Seit 2004 führt er im schwäbischen Hochdorf sein eigenes Ingenieurbüro Bastizi, mit dem er Solarstromanlagen plant und montiert.
