WÄRME
Einleitung
Wärmeschutz zu jeder Jahreszeit ist eines der wichtigsten Gebiete der Bauphysik. Um die Nutzer von Gebäuden vor dem Verlust wertvoller Heizwärme, aber auch vor überhitzten Räumen zu schützen, müssen Bauwerke sorgfältig geplant werden.
Dieses Kapitel behandelt den winterlichen Wärmeschutz und erläutert die wichtigsten wärmeschutztechnischen Kenngrößen (zum sommerlichen Wärmeschutz siehe Kapitel Sonne und Licht).
Mechanismen des Wärmetransports
Die Wärme bzw. Wärmemenge ist physikalisch gesehen eine Energieform. Sie darf nicht mit der umgangssprachlichen „Wärme“ eines Körpers, der eine bestimmte Temperatur hat, verwechselt werden. Wärme wird in Joule angegeben. Damit Wärme sich in Festkörpern, Flüssigkeiten oder Gasen bewegen kann, braucht es ein Temperaturgefälle. So wie Wasser immer den Berg hinunterfließt, strömt die Wärme immer von warm nach kalt. Der Wärmestrom ist die pro Zeit übertragene Wärmemenge, seine Einheit ist Joule pro Sekunde = Watt. Als Wärmestromdichte wird der durch eine bestimmte Fläche fließende Wärmestrom bezeichnet, er wird in Watt pro m2 angegeben.
Die Temperatur wird durch die Celsius-Skala beschrieben, die durch die Eckpunkte 0 °C (Gefrierpunkt Wasser) und 100 °C (Siedepunkt Wasser) festgelegt ist. Die absolut tiefste Temperatur liegt bei minus 273,15 °C, tiefere Temperaturen gibt es im Universum nicht. Dort hat die Kelvin-Skala ihren Nullpunkt. Die Temperatur 0 °C entspricht umgerechnet 273,15 K. Ein Temperaturunterschied hat in beiden Einheiten – Kelvin und Grad Celsius – jeweils den gleichen Zahlenwert. Bewegt sich Wärme von einer wärmeren zu einer kälteren Stelle, geschieht dies grundsätzlich auf drei Arten: Durch Wärmeleitung, durch Konvektion und durch Wärmestrahlung.
Im Alltag treten die drei Transportmechanismen oft gemeinsam auf: Ein Heizkörper gibt Wärmestrahlung ab, erwärmt durch Wärmeleitung die ihn umgebende Luft, und diese wiederum verteilt die Wärme durch Konvektion im Raum.
Bei Festkörpern ist Wärmeleitung der dominierende Effekt. Bei Metallen wird Wärme durch die Bewegung der freien Leitungselektronen weitergeleitet, in sonstigen Feststoffen durch Weitergabe der Schwingungsenergie von Atom zu Atom und in Gasen durch Übertragen der Energie bei Zusammenstößen der Moleküle oder Atome. Metalle sind besonders gute Wärmeleiter.
Die Fähigkeit eines Stoffes zur Weiterleitung von Wärme wird mit dem Materialkennwert der Wärmeleitfähigkeit λ beschrieben. Der Wert λ eines Stoffes gibt die Wärmemenge in Watt an, die durch eine 1 m2 große und 1 m dicke Schicht dieses Stoffes, d. h. durch einen Würfel mit dem Volumen 1 m3, bei einem Temperaturunterschied der beiden Oberflächen von 1 Kelvin hindurchgeht. Es gilt: Je größer die Zahl, umso mehr Wärme wird pro Zeiteinheit übertragen bzw. umgekehrt: Je kleiner der Wert, umso besser dämmt das Material. Die Einheit der Wärmeleitfähigkeit ist W/m2K.
Wärmeleitfähigkeiten λ nach DIN EN ISO 10077-2*
*Die Anwendung von Prüfzeugnissen mit gemessenen Wärmeleitfähigkeiten ist bei wärmetechnischen Berechnungen nur dann zulässig, wenn es keine Tabellenwerte oder Daten aus Produktnormen oder technischen Zulassungen gibt. Die Messungen müssen von einer akkreditierten Stelle nach genau festgelegten Regeln durchgeführt worden sein. Damit der Wert für den jeweiligen Werkstoff repräsentativ ist, muss aus den Messwerten von mindestens drei unterschiedlichen Proben über eine statistische Bewertung ein Nennwert errechnet werden.
Konvektion ist mit einem Materietransport verbunden: Warme Materie bewegt sich von einem Ort höherer Temperatur zu einem Ort niedriger Temperatur. Da Teilchen nur in Flüssigkeiten oder Gasen räumlich beweglich sind, tritt Konvektion nur dort auf.
Wärmestrahlung wird von jedem Körper in Abhängigkeit von seiner Temperatur und seinem Emissionsvermögen ausgestrahlt. Als elektromagnetische Strahlung benötigt die Wärmestrahlung zur Fortbewegung keine Materie und kann sich auch im Vakuum ausbreiten. Allerdings ist je nach Wellenlänge nicht jedes Material für elektromagnetische Strahlung durchlässig (siehe Kapitel Sonne und Licht).
Der Emissionsgrad ε gibt an, wie viel Wärmestrahlung von einem Körper im Vergleich zu einem idealen Wärmestrahler, einem schwarzen Körper, abgegeben wird. Der Wert ist abhängig von der Beschaffenheit der Oberfläche, dimensionslos und liegt zwischen 0 und 1 (0 und 100 %). Ein Spiegel hat einen Emissionsgrad von fast null, eine mattschwarze Oberfläche kommt dem Maximalwert von 1 sehr nahe.
Emissionsgrade ε von Oberflächen nach DIN EN ISO 10077-2*
*Die Anwendung von Prüfzeugnissen mit niedrigeren Emissionsgraden als 0,9 ist bei wärmetechnischen Berechnungen nur dann zulässig, wenn es keine Tabellenwerte gibt. Nennwerte müssen von einer entsprechend akkreditierten Stelle an mindestens drei unterschiedlichen Proben geprüft und statistisch ausgewertet sein.
**Wert ändert sich nach Farbe/Oberfläche
Wärmetransport durch unbeschichtetes Isolierglas
Bei einfachem Isolierglas ohne Wärmedämmbeschichtung und Edelgasfüllung beträgt der Energieverlust ca. 1/3 durch Wärmeleitung und Konvektion und ca. 2/3 durch Abstrahlung.
Bei modernem Wärmedämm Isolierglas wird die Abstrahlung durch Wärmedämmbeschichtungen auf ein Minimum reduziert. Schlecht leitende Edelgasfüllungen und ein optimaler Scheibenabstand reduzieren Wärmeleitung und Konvektion.
Wärmedurchgangskoeffizienten
Um ganze Gebäude richtig auslegen zu können, werden nicht nur einzelne Materialkennwerte benötigt, sondern Angaben für komplette Bauteile wie z. B. Wand- und Deckenaufbauten, Verglasungen, Fenster oder Fassaden. Diese Bauteilkennwerte beschreiben bei definierten Randbedingungen die kompletten Wärmeverluste durch das Bauteil mit einem einzigen Zahlenwert. Bei ihrer Ermittlung werden sämtliche Mechanismen des Wärmetransports berücksichtigt, auch die Vorgänge an den außenliegenden Oberflächen.
Der Wärmedurchgangskoeffizient U eines Bauteils gibt an, welcher Wärmestrom in Watt bei einem Temperaturunterschied von 1 K zwischen Raumluft und Außenluft pro Quadratmeter Bauteilfläche durch das Bauteil hindurch verloren geht. Je kleiner der U-Wert, umso besser ist die Dämmwirkung des Bauteils. Die Einheit dieses flächenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten U ist W/m2K.
Für Bauteile aus homogenen Materialschichten, wie z. B. eine Wand, legt die internationale Norm DIN EN ISO 6946 das Verfahren zur Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten U fest. Dabei wird der Weg der Wärme vom Rauminnern bis zur Außenluft in drei Schritte des Wärmeverlustes zerlegt, denen jeweils vom Bauteil ein Widerstand entgegengesetzt wird:
- Wärmeübergang von der Raumluft bis zur raumseitigen Bauteiloberfläche (überwiegend Wärmestrahlung und Konvektion) Wärmeübergangswiderstand Rsi
- Wärmedurchlass im Innern des Bauteils (Wärmeleitung) Wärmedurchlasswiderstand R, der von den Wärmeleitfähigkeiten und Dicken der einzelnen Schichten abhängt
- Wärmeübergang von der äußeren Bauteiloberfläche zur Außenluft (überwiegend Wärmestrahlung und Konvektion) Wärmeübergangswiderstand Rse
Durch Addition dieser drei in Reihe geschalteten Vorgänge ergibt sich der gesamte Wärmedurchgangswiderstand RT durch das Bauteil:
RT = Rsi + R + Rse
Die Übergangswiderstände Rsi und Rse an den Bauteiloberflächen sind in der Norm in Tabellen festgelegt (si = surface internal, se = surface external).
Der U-Wert von Bauteilen aus homogenen Materialschichten ist der Kehrwert der Summe dieser drei Widerstände:
U = 1/RT
Isoliergläser, Türen und Fenster sowie Vorhangfassaden sind von den Regelungen der DIN EN ISO 6946 ausgenommen. Auf Grund ihrer Komplexität werden sie wärmetechnisch in separaten Normen abgehandelt (siehe Kapitel Glas, Fenster und Fassade).
Wärmebrücken
Wärme geht nicht nur über flächige Bauteile verloren, sondern auch über Wärmebrücken. Das sind Bereiche in der Gebäudehülle, bei denen mit erhöhtem Wärmeverlust gerechnet werden muss. Weil die raumseitige Oberflächentemperatur im Bereich von Wärmebrücken absinkt, ist dort das Risiko von Tauwasser- und Schimmelpilzbildung höher. Das ist nicht nur aus hygienischer Sicht bedenklich. Bei längerer Einwirkung von Feuchte und Schimmel wird unter Umständen auch die Bausubstanz beschädigt.
Es gibt geometrisch bedingte Wärmebrücken wie Gebäudeecken oder Deckenanschlüsse, materialbedingte wie Stahlstützen in Wänden oder kombinierte wie beim Fensteranschluss an die Wand oder auch im Übergangsbereich zwischen Glas und Fensterrahmen. Weil diese Wärmebrücken in der Regel nicht flächig, sondern in der Länge ausgedehnt sind, werden sie längenbezogen betrachtet. In einer thermischen Gebäudehülle können jedoch auch dreidimensionale, punktförmige Wärmebrücken auftreten.
Die Wärmeverluste durch lineare Wärmebrücken werden mit dem Wärmedurchgangskoeffizienten Ψ (griechischer Buchstabe Psi) angegeben. Je kleiner der Ψ-Wert, umso weniger trägt die Wärmebrücke zu den Gesamtwärmeverlusten bei. Die Einheit des längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten Ψ ist W/mK.
Wärmeverluste durch punktförmige Wärmebrücken werden mit dem Wärmedurchgangskoeffizienten x (griechischer Buchstabe Chi) beziffert, die Einheit ist W/K. Allerdings ist der Wärmeverlust durch vereinzelt vorkommende punktförmige Wärmebrücken in der Regel vernachlässigbar. Bei einer Häufung wie z. B. bei den Verschraubungen von Pfosten-Riegel-Fassaden darf der wärmetechnische Einfluss jedoch nicht außer Acht gelassen werden (siehe Kapitel Glas, Fenster und Fassade).
Durch immer besser gedämmte Gebäude fallen die Verluste über Wärmebrücken zunehmend ins Gewicht. Eine der wichtigsten Neuerungen der im Jahr 2002 in Deutschland eingeführten und seither stetig verschärften Energieeinsparverordnung (EnEV), abgelöst 2020 durch das GEG – neben der Einführung von Europäischen Normen zur Ermittlung der Kennwerte – betrifft den Umgang mit Wärmebrücken. Während die alte Wärmeschutzverordnung Wärmebrücken noch weitgehend ignorierte, müssen seit 2002 bei der Berechnung von Gebäuden Wärmebrücken entweder pauschaliert angesetzt oder detailliert berechnet werden. Gebäude sind konstruktiv so auszuführen, dass Energieverluste über Wärmebrücken minimiert werden.
Die verschiedenen Wärmebrücken, die innerhalb von Fenster- und Fassadenkonstruktionen auftreten, sind bereits in die U-Werte von Fenstern (Uw) bzw. Fassaden (Ucw) eingerechnet und müssen bei der Gebäudeplanung nicht noch einmal berücksichtigt werden (siehe auch Kapitel 3.1.5 Glas, Fenster und Fassade). Die Wärmebrücken, die beim Einbau von Fenstern oder Fassadenelementen im Übergangsbereich zur Wand entstehen, sind jedoch in diesen Bauteilkennwerten nicht enthalten. Die Tauwassergefahr von Wärmebrücken wird ebenfalls durch einen Kennwert beschrieben. Der Temperaturfaktor f kennzeichnet unabhängig von den jeweiligen Temperaturrandbedingungen die niedrigste raumseitige Oberflächentemperatur (hierzu mehr in Kapitel Feuchte und Klima).
Glas, Fenster und Fassade
Die Wärmedämmung von Verglasungen, Fenstern und Fassaden hat sich in den letzten Jahren wesentlich verbessert. Insbesondere die hocheffizienten Dreifach-Wärmeschutzverglasungen haben Niedrigstenergie-, Passiv- und Plusenergiehäuser überhaupt erst möglich gemacht. Für ein möglichst einheitliches Dämmniveau, zur Vermeidung von vorprogrammierten Schäden in der thermischen Gebäudehülle sind jedoch verbesserte Rahmen- und Fassadenprofile sowie ein wärmetechnisch optimierter Einbau ebenfalls unerlässlich.
Verglasungen, Fenster und Fassaden sind komplex gestaltete Bauelemente, deren Wärmedurchgangskoeffizienten sich nicht einfach durch eine Reihenschaltung von Widerständen ermitteln lassen. Die Wärmeströme fließen nicht nur senkrecht durch ebene Bauteilflächen. Sie werden durch innere Hohlräume mit Konvektions- und Strahlungseinfluss, Wärmebrücken und geometrisch gestaltete Materialien mit verschiedenen Wärmeleitfähigkeiten in viele Richtungen gelenkt. Rechnerisch lassen sich diese Effekte nur mit Finite-Elemente-Rechenprogrammen abbilden. Als Alternative hierzu ist in den Normen jeweils auch ein einfaches Tabellen-Ableseverfahren oder ein Verfahren zur messtechnischen Ermittlung angegeben. Dabei gilt generell: Je einfacher die Methode, umso unvorteilhafter der erzielte Wert.
Relevante Normen für die wärmetechnischen Eigenschaften von Glas, Fenster und Fassade
Der Wärmedurchgangskoeffizient Ug von Verglasungen
In der ungestörten Mitte einer Isolierglasscheibe geht die Wärme der Raumluft zunächst an die raumseitige Glasscheibe über, die sich dadurch erwärmt. Durch Emission von Wärmestrahlung gibt diese Scheibe ihre Wärme an die Außenscheibe (bei Dreifach-Isolierglas zunächst an die mittlere und dann an die äußere Scheibe) weiter. Darüber hinaus wird Wärme von der Raumseite über die Gasfüllung im Scheibenzwischenraum durch Wärmeleitung und durch Konvektion weitergegeben. Die Außenscheibe verliert die ankommende Energie hauptsächlich durch Emission von Wärmestrahlung und durch Konvektion an die Außenluft. Durch diesen kontinuierlichen Wärmestrom geht Heizwärme verloren, die durch die Raumbeheizung ersetzt werden muss.
Der Ug-Wert von Mehrscheiben-Isolierglas wird durch die drei in der Abbildung dargestellten Faktoren beeinflusst
Den größten Effekt auf Ug erzielen die Wärmedämmbeschichtungen (low-E-Schichten). Sie verhindern mit ihren geringen Emissionsgraden die Abstrahlung von Wärme nach draußen. Im Vergleich zu unbeschichtetem, luftgefülltem Isolierglas wird dadurch der Ug-Wert in etwa halbiert.
Edelgase reduzieren gegenüber luftgefülltem Isolierglas die Wärmeleitung im Scheibenzwischenraum und tragen dadurch ebenfalls zur Verbesserung (= Reduzierung) des Ug-Wertes bei. Dabei kommt es auf die Gasart sowie auf den Gasfüllgrad an, den der Isolierglashersteller in seiner Systembeschreibung festlegt (genaues Verfahren siehe Produktnorm für Mehrscheiben-Isolierglas DIN EN 1279-5). Je nach Gasart gibt es einen optimalen Scheibenabstand, bei dem der Einfluss der Konvektion minimiert ist und der Ug-Wert seinen niedrigsten Wert erreicht.
Natürlich lässt sich der Ug-Wert eines Zweifach-Isolierglases durch Hintereinanderschalten von mehreren Scheibenzwischenräumen weiter verbessern. Allerdings ist mit den heutigen Hochleistungs-Dreifachgläsern bereits das Optimum erreicht. Vierfach-Isoliergläser erzielen im Vergleich zum Aufwand nur eine geringe Verbesserung, bringen jedoch Nachteile an anderer Stelle (Gewicht, Klimalasten, g-Wert).
Grundsätzlich kann der Ug-Wert entweder nach DIN EN 673 berechnet oder nach DIN EN 674 gemessen werden. Als dritte Möglichkeit kann er in der Norm DIN EN ISO 10077-1 aus einer Tabelle je nach Aufbau, SZR und Gasart abgelesen werden. Das heute übliche Verfahren ist die Berechnung nach DIN EN 673. Der Ug-Wert ist mit einer Nachkommastelle anzugeben und so bei der weiteren Berechnung zu verwenden.
Für die Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten Ug werden folgende Angaben benötigt
- Emissivität der Glasoberflächen zum SZR
- Die Art der Gasfüllung im SZR
- Der Gasfüllgrad im SZR
- Die Scheibenzwischenraumbreite
Für eine 2-fach Wärmedämmverglasung (Beschichtung mit einer Emissivität von 3 %, Argon-Gasfüllung im Scheibenzwischenraum mit einem Nenngasfüllgrad von 90 %) ergibt sich bei dieser Berechnung ein Ug-Wert von 1,1 W/m2K.
Die Wärmebrücke durch die leitende Verbindung im Randverbund der Isolierverglasung findet im Ug-Wert keinen Niederschlag, sie wird erst bei der Ermittlung von Uw bzw. Ucw berücksichtigt.
Eine weitere wichtige Kenngröße von Verglasungen ist der Gesamtenergiedurchlassgrad g (g-Wert). Der g-Wert ist dimensionslos. Er ist wichtig für die Ermittlung von solaren Gewinnen, d. h. für den kostenlosen Energieeintrag durch die Sonnenstrahlung von außen ins Rauminnere hinein. Im Winter ist dies sehr erwünscht, im Sommer kann es jedoch zu Überhitzung von Räumen kommen (siehe Kapitel Sonne und Licht).
Auf eine Besonderheit des Ug-Wertes sei an dieser Stelle noch hingewiesen: Die Ug-Werte werden üblicherweise für den senkrechten Einbau angegeben. Bei geneigten Verglasungen ist der Konvektionseinfluss größer, weshalb sich der Ug-Wert mit zunehmender Neigung erhöht. Im CE-Zeichen bzw. in der Leistungserklärung wird immer der Ug-Wert für senkrechten Einbau angegeben. Auf Anforderung kann der tatsächliche Ug-Wert einer in einem bestimmten Winkel eingebauten Verglasung von den Glaslieferanten berechnet werden.
Der Wärmedurchgangskoeffizient Uw von Fenstern
Die Wärmeverluste an Fenstern setzen sich aus Wärmeströmen durch die Rahmenprofilflächen und durch die Verglasung zusammen. Hinzu kommt dort, wo Rahmen und Glas zusammentreffen, der Verlust über eine geometrische und materialbedingte Wärmebrücke. Der erhöhte Wärmestrom in diesem Bereich wird hauptsächlich vom Material des Isolierglas-Randverbunds und daneben noch von der Tiefe des Glaseinstands bestimmt (siehe auch Kapitel Wärmetechnisch verbesserte Abstandhalter).
Bei der Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten Uw führen mehrere Wege zum Ziel. Folgende Vorgehensweisen (Wege 1 bis 3) sind gemäß der Produktnorm für Fenster, DIN EN 14351-1, als Basis für CE-Kennzeichnung und Leistungserklärung zulässig:
Weg 1: Der Uw-Wert eines vertikalen Fensters mit der Abmessung 1,23 x 1,48 m kann für einen bestimmten Verglasungswert Ug und Rahmenprofilwert Uf direkt aus den Tabellen H.1 bis H.4 im Anhang H der DIN EN ISO 10077-1 abgelesen werden.
Da dies eine starke Vereinfachung darstellt, wird jeweils der ungünstigste Fall angenommen. Deshalb sind die erreichbaren Werte nicht besonders vorteilhaft. (Dies gilt generell für alle vereinfachten Vorgehensweisen mit Tabellen und Diagrammen zum Ablesen von Werten).
Weg 2: Berechnung des Uw-Wertes gemäß DIN EN ISO 10077-1 aus den drei Eingangsgrößen Ug, Uf und Ψg, die mit der Summenformel nach ihrem Flächenanteil bzw. ihrer Länge gewichtet werden:
Uw = Ag x Ug + Af x Uf + Lg x Ψg / Aw
A bezeichnet jeweils die Flächen von Glas (Ag), Rahmen (Af) und Gesamtfenster (Aw). Dabei ist Ag nicht die gesamte Fläche der eingeglasten Scheibe, sondern der Teil, der sichtbar bleibt. Ebenso ist Lg nicht der gesamte Scheibenumfang, sondern die sichtbare Länge des Glasrandes.
Auch für die Bestimmung der drei Eingangsgrößen Ug, Uf und Ψg gibt es nach dem Motto „Tabelle – Messen – Rechnen“ wieder mehrere Möglichkeiten:
Dabei nennt die DIN EN ISO 10077-1 als bevorzugtes Verfahren für die Ermittlung von Uf und Ψg die zweidimensionale numerische Berechnung nach Teil 2 dieser Norm mit geeigneten Berechnungsprogrammen. Der Aufwand für solche FEM-Berechnungen ist jedoch nicht unerheblich. Auf Ablesung aus Tabellen oder Diagrammen soll nur dann zurückgegriffen werden, wenn keine anderen Angaben vorliegen.
Als Königsweg für die Ψg-Werte haben sich die Datenblätter des BF Bundesverband Flachglas mit repräsentativen Psi-Werten für Fenster etabliert. Diese Vorgehensweise ist nicht so aufwändig wie die detaillierte Berechnung, liefert aber trotzdem präzisere und je nach verwendetem Abstandhaltersystem vorteilhaftere Uw-Werte als das Tabellenverfahren (siehe Kapitel Wärmetechnisch verbesserte Abstandhalter).
Weg 3: Messung des Uw-Wertes mit dem Heizkastenverfahren gemäß DIN EN ISO 12567-1/2. Durch diese Messung ergibt sich ein Einzelwert, der alle Einflüsse von Rahmen, Verglasung und Wärmebrücke erfasst. Allerdings enthält dieser Wert keinerlei Aussage über die einzelnen wärmetechnischen Qualitäten der Fensterbestandteile Verglasung, Rahmen und Wärmebrücke. Deshalb lassen sich damit keine individuellen Uw-Werte für andere Abmessungen berechnen.
Grundsätzlich ist der Uw-Wert mit zwei wertanzeigenden Stellen anzugeben, d. h. bei Werten ≥ 1,0 W/m2K mit einer Nachkommastelle (z. B. Uw = 1,3 W/m2K), und ab Werten unter 1,0 W/m2K mit zwei Nachkommastellen (z. B. Uw = 0,85 W/m2K).
Eine Besonderheit des Uw-Wertes ist seine Abhängigkeit von Format (Größe, Verhältnis Breite zu Länge) und Gestaltung (einflügelig, zweiflügelig, mit Oberlicht usw.).
Aus Gründen der Vergleichbarkeit wurde im Zuge der Normung ein einflügeliges Fenster mit der Abmessung 1,23 x 1,48 m als Standard für die CE-Kennzeichnung festgelegt. Dieses Standardfenster ist für die meisten 90 Fenstergestaltungen repräsentativ (außer für Stulpfenster und Stulpfenster mit Oberlicht).
In der Praxis ist jedoch nicht jedes Fenster einflügelig und hat die Maße 1,23 x 1,48 m. Deshalb können von Planern für die genaue Berechnung der Wärmeverluste von Gebäuden auch individuelle Uw-Werte für jedes einzelne Fenster gefordert werden. Eine gemischte Angabe an einem Objekt ist allerdings nicht zulässig (entweder alle Fenster genau oder alle mit dem Wert des Standardfensters).
Die wärmetechnische Behandlung von Sprossenfenstern wird in Kapitel Wärmetechnische Behandlung von Sprossenfenstern näher erläutert.
Der Wärmedurchgangskoeffizient Ucw von Fassaden
Ebenso wie Fenster werden auch Fassaden auf Basis einer Produktnorm – der Produktnorm für Vorhangfassaden DIN EN 13830 – mit dem CE-Zeichen gekennzeichnet. Im CE-Zeichen muss zusammen mit anderen Leistungseigenschaften der Wärmedurchgangskoefficient Ucw der Vorhangfassade angegeben werden. Unterschiedliche Typen von Vorhangfassaden sind Elementfassaden, Pfosten-Riegel-Konstruktionen, Trockenverglasungen, geklebte Glaskonstruktionen, hinterlüftete Fassaden, usw.
Was für die Ermittlung des Fenster Uw-Wertes die DIN EN ISO 10077, ist für Fassaden die DIN EN ISO 12631 „Wärmetechnisches Verhalten von Vorhangfassaden – Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten”.
Diese Norm legt fest, wie Wärmedurchgangskoeffizienten für Vorhangfassaden aus verglasten und/oder opaken Paneelen, die in Rahmen eingebaut oder mit Rahmen verbunden sind, ermittelt werden.
Schon allein aus der Fülle an tiefgestellten Indizes zu U- bzw. Ψ-Werten ist zu ersehen, dass das Thema bei Vorhangfassaden komplex ist:
f Rahmen – frame
g Verglasung – glazing
f,g Rahmen/Verglasung
m Pfosten – mullion
m,f Pfosten/Rahmen
m,g Pfosten/Verglasung
p Opakes Paneel – panel
t Riegel – transom
t,f Riegel/Rahmen
t,g Riegel/Verglasung
w Fenster – window
cw Vorhangfassade – curtain wall
In dieser Rechennorm sind zwei Verfahren beschrieben, die beide zum Ziel Ucw führen:
a) Ein vereinfachtes Beurteilungsverfahren, bei dem der Wärmeübergang durch die gesamte Konstruktion einschließlich Pfosten, Riegel und Füllungen mittels Computersimulation berechnet wird.
b) Ein Verfahren mit Beurteilung der einzelnen Komponenten, bei dem ein repräsentatives Element in Flächenanteile mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften unterteilt wird.
Beim Verfahren a) werden sämtliche Flächen außer den Füllungen (Glas und Paneel) zu einem flächenbezogenen Fugen-U-Wert UTJ oder zu einem längenbezogenen Fugen-Psi-Wert ΨTJ zusammengefasst, jeweils mit dem Index TJ für „Fuge zwischen zwei Füllungen”. Ucw ergibt sich aus den U-Werten für Glas, Paneel und Fugen.
Bei Verfahren b ergibt sich der Wärmedurchgangskoeffizient Ucw der gesamten Fassade als Mittelwert aus den Wärmedurchgangskoeffizienten der einzelnen Bereiche, jeweils mit ihrem Flächenanteil gewichtet plus den diversen linearen Wärmebrücken bezogen auf deren Länge, gemäß nachstehender Gleichung:
$$ U_{cw} = \frac{\sum A_g U_g + \sum A_p U_p + \sum A_f U_f + \sum A_m U_m + \sum A_t U_t + \sum l_{f,g} \Psi_{f,g} + \sum l_{m,g} \Psi_{m,g} + \sum l_{t,g} \Psi_{t,g} + \sum l_p \Psi_p + \sum l_{m,f} \Psi_{m,f} + \sum l_{t,f} \Psi_{t,f}}{A_{cw}} $$
| Ug / Up Uf / Um / Ut | Wärmedurchgangskoeffizient der Verglasung, des Paneels, des Rahmens, des Pfostens und des Riegels |
| Ψf,g / Ψm,g / Ψt,g / Ψp | Längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient infolge der kombinierten thermischen Wirkungen der Verglasung, des Paneels, des Rahmens, des Pfostens oder des Riegels |
| Ψ m,f / Ψt,f | Längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient infolge der kombinierten thermischen Wirkungen von Pfosten/Rahmen und Riegel/Rahmen |
Die Fläche der Vorhangfassade Acw wird nach folgender Gleichung berechnet:
Acw = Ag + Ap + Af + Am + At
Dabei ist
| Acw | die Fläche der Vorhangfassade |
| Ag | die Gesamtfläche der Verglasung |
| Ap | die Gesamtfläche der Paneele |
| Ag | die Gesamtfläche der Verglasung |
| Af | die Gesamtfläche der Rahmen |
| Am | die Gesamtfläche der Pfosten |
| At | die Gesamtfläche der Riegel |
Wie bei Fenstern wird der Ug-Wert der Verglasung nach DIN EN 673 oder 674 beurteilt. Der Up-Wert von opaken Paneelen ist nach DIN EN ISO 6946 zu bestimmen. Uf-Werte für Rahmen können z. B. nach DIN EN ISO 10077-1 oder -2 ermittelt werden.
Die längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten von Verglasungen Ψg können den Tabellen im Anhang B der Norm entnommen oder nach DIN EN ISO 10077-2 detailliert berechnet werden.
Herkunft der Eingabedaten für die Berechnung von Ucw
Alternativ zu den beiden Berechnungsverfahren ist ebenso wie bei Fenstern eine Prüfung von Fassadenelementen nach DIN EN ISO 12567-1 (Messung nach dem Heizkastenverfahren) zugelassen.
Wärmetechnisch verbesserte Abstandhalter (Warme Kante)
Die Wärmedämmung von Fenstern und Fassaden wurde in den letzten Jahren wesentlich verbessert. Wärmedämmbeschichtungen und Gasfüllungen bedeuteten für Isolierglas einen technologischen Quantensprung. Auch die Rahmenkonstruktionen wurden wärmetechnisch weiterentwickelt. Damit fällt zwangsläufig die Einbauwärmebrücke des Glases im Rahmen und im Fassadenprofil stärker ins Gewicht. Der Effekt dieser wärmetechnischen Schwachstelle wird umso deutlicher, je besser Rahmenkonstruktion und Verglasung dämmen
Konventionelle Isolierglas-Abstandhalter aus Aluminium oder Stahl führen zu deutlich höheren Wärmeverlusten in diesem Bereich und damit konsequenterweise zu schlechteren Uw- und Ucw-Werten als die neuen, wärmetechnisch verbesserten Randverbundsysteme. Diese so genannten „Warme-Kante-Systeme“ verringern den Wärmestrom im Übergangsbereich von Glas zu Rahmen und verhindern damit ein übermäßiges Absinken der Oberflächentemperatur an der raumseitigen Glaskante.
Gut wärmedämmende Verglasungen, Rahmenkonstruktion und Randverbund. Eine wirkungsvolle Isolation bis über den Rand.
Alte Fenster, wie vor 1990 üblicherweise eingebaut, isolieren so schlecht, dass der schwache Rand nicht weiter auffällt.
Wie bereits im Abschnitt 3.1.5.2 beim Uw-Wert von Fenstern dargestellt, wird der erhöhte Wärmedurchgang durch den linearen Wärmedurchgangskoeffizienten Ψg bemessen. Da es sich nicht um einen Materialkennwert, sondern um die Beschreibung eines physikalischen Vorgangs handelt, ist der Ψg-Wert nicht nur abhängig von den Wärmeleitfähigkeiten des verwendeten Isolierglas-Randverbunds, sondern auch vom Dämmniveau des verwendeten Rahmens und des Isolierglases sowie von der Tiefe des Glaseinstands im Rahmen. Deshalb gibt es für ein bestimmtes Abstandhaltersystem nicht einfach nur einen einzigen Ψg-Wert. Auch bei Kenntnis der Verglasung lässt sich noch keine Aussage zur Größe Ψg machen. Erst wenn alle Teile zusammenkommen, kann der Ψg-Wert ermittelt werden. Grundsätzlich ist das auf drei Arten möglich:
- Ablesung aus Tabellen der DIN EN ISO 10077-1 für Uw bzw. DIN EN ISO 12631 für Ucw
- Detaillierte Berechnung nach DIN EN ISO 10077-2
- Verwendung von repräsentativen Ψg-Werten für Fenster bzw. für Fassadenprofile
Für die einfache Tabellenablesung stellen die beiden Normen DIN EN ISO 10077-1 bzw. DIN EN ISO 12631 jeweils Tabellen mit Ψ-Werten für „typische Abstandhalter aus Aluminium oder Stahl“ bzw. „Abstandhalter mit wärmetechnisch verbesserten Eigenschaften“ zur Verfügung.
Damit der Anwender entscheiden kann, welche der beiden Tabellen die richtige ist, definieren die beiden Normen in identischer Weise, was unter einem wärmetechnisch verbesserten Abstandhalter zu verstehen ist. Es ist zu beachten, dass die Ψg-Werte für Festverglasungen in Pfosten-Riegel-Fassaden konstruktionsbedingt deutlich höher liegen als die Werte für den Glasrand bei Fensterflügeln.
Die detaillierte Berechnung erfolgt für Fenster und für Fassaden nach dem in DIN EN ISO 10077-2 beschriebenen numerischen Verfahren. Dafür ist geeignete Software erforderlich. Wird das verwendete Abstandhaltersystem geändert, muss die komplette Berechnung erneut durchgeführt werden.
Deutlich einfacher als die detaillierte Berechnung und dennoch präziser als die einfache Tabellenablesung geht die Ermittlung von Uw bzw. Ucw mit den repräsentativen Ψ-Werten der BF Datenblätter für wärmetechnisch verbesserte Abstandhalter. Diese dritte Vorgehensweise wurde vom Arbeitskreis Warme Kante beim Bundesverband Flachglas (BF) erarbeitet. Die Datenblätter gelten jeweils für ein individuelles Abstandhaltersystem. Ihre Anwendung ist durch ift-Richtlinien an die Einhaltung bestimmter Randbedingungen gekoppelt. Inzwischen ist dieses Verfahren auch normativ anerkannt.
Die Anwendbarkeit der Datenblätter für Fenster bzw. für Fassadenprofile wird jeweils durch eine ift-Richtlinie geregelt.
Wärmetechnische Behandlung von Sprossenfenstern
In der Vergangenheit wurde der Einfluss von Sprossen auf den Wärmedurchgangkoeffizienten von Fenstern oft vernachlässigt. Obwohl die Sprossen im Scheibenzwischenraum nicht an den Glasoberflächen anliegen dürfen (Glasbruchgefahr), können sie doch lineare Wärmebrücken bilden und damit den Wärmedurchgangskoeffizienten von Fenstern nachteilig beeinflussen.
Seit dem 1.12.2010 sind gemäß der Produktnorm DIN EN 14351-1 für die CE-Kennzeichnung von Fenstern mit Sprossen die nachfolgenden Aufschläge auf den Uw-Wert zu verwenden:
Bei diesen Aufschlägen wird nicht unterschieden, ob es sich um konventionelle Sprossen aus Aluminium oder um wärmetechnisch verbesserte Ausführungen aus Kunststoff handelt und welche Sprossenlängen insgesamt verbaut sind. Auch werden die unterschiedlichen Sprossenarten nicht differenziert betrachtet. Es spielt für die Aufschläge auch keine Rolle, ob sich bei Dreifach-Isolierglas Sprossen nur in einem oder in beiden Scheibenzwischenräumen befinden. Da es sich um eine grobe Vereinfachung handelt, sind die Aufschläge in vielen Fällen unangemessen hoch.
Nach detaillierter Untersuchung des Themas in einem Forschungsvorhaben wurde deshalb vom Bundesverband Flachglas vorgeschlagen, die Wärmebrückenwirkung von Sprossen ebenso wie beim Glasrandverbund mit linearen Wärmedurchgangskoeffizienten Ψgb abzubilden, in Abhängigkeit von der tatsächlich verbauten Sprossenlänge lgb, und diese pauschalen Ψgb-Werte in Tabellenform in den Anhang der DIN EN ISO 10077-1 aufzunehmen.
Der im Oktober 2016 veröffentlichte Normentwurf enthält nun zwei Tabellen mit Ψgb-Werten für Sprossen im Scheibenzwischenraum, einmal für metallische Sprossen und einmal für Sprossen aus Kunststoff.
Für die Berechnung des Uw-Wertes eines Sprossenfensters wird die Summenformel um den Sprosseneinfluss erweitert:
$$ U_w = \frac{A_g \cdot U_g + A_f \cdot U_f + L_g \cdot \Psi_g + L_{gb} \cdot \Psi_{gb}}{A_w} $$
Für den Vergleich mit einem identischen Fenster ohne Sprossen lässt sich der sprossenbedingte Aufschlag wie folgt berechnen:
$$ \Delta U_w = \frac{L_{gb} \cdot \Psi_{gb}}{A_w} $$
Weitere Informationen zur wärmetechnischen Behandlung von Sprossen sind im BF-Merkblatt „Kompass Warme Kante für Fenster und Fassaden“ enthalten.
Bauphysikalische Grundlagen
- WÄRME
- Einleitung
- Mechanismen des Wärmetransports
- Wärmedurchgangskoeffizienten
- Wärmebrücken
- Glas, Fenster und Fassade