Anton Maas, Universität Kassel, Ingenieurbüro Prof. Dr. Hauser GmbH, Kassel

Transkript

1 Wärmebrücken Überarbeitung DIN 4108, Beiblatt 2 Anton Maas, Universität Kassel, Ingenieurbüro Prof. Dr. Hauser GmbH, Kassel EINLEITUNG Seit Einführung der Energieeinsparverordnung im Jahr 2001 ist der Einfluss von Wärmebrücken bei der Ermittlung der Transmissionswärmeverluste zu berücksichtigen. Hierdurch wurde die Beachtung der Qualität von Bauteilanschlüssen bei der Gebäudeplanung und -ausführung weiter in den Vordergrund gerückt. Um der Bedeutung der Wärmebrückenwirkung in Bezug auf den Energiebedarf beheizter Gebäude gerecht zu werden, sehen die Nachweismethoden explizit die Einbeziehung dieser Wärmeverluste vor. DIN V [1] und DIN V [2] bilden hierbei die Grundlage zur Ermittlung der Wärmeverluste über die Gebäudehülle. Die wärmetechnische Wirkung von Bauteilanschlüssen kann unter Inkaufnahme erhöhter Werte ohne besonderen Nachweis pauschal über einen Wärmebrückenzuschlag von U WB = 0,10 W/(m 2 K) bzw. U WB = 0,15 W/(m 2 K) bei Innendämmung einbezogen werden. Alternativ kann bei Ausführung der Anschlussdetails nach den Planungs- und Ausführungsbeispielen der DIN 4108 Beiblatt 2 [3] ein Wärmebrückenzuschlag von U WB = 0,05 W/(m 2 K) in Ansatz gebracht werden oder es kann eine detaillierte Erfassung der längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten erfolgen. Bei Ansatz des pauschalen Wärmebrückenzuschlags von U WB = 0,05 W/(m 2 K) muss die vorhandene Anschlusssituation eindeutig dem in DIN 4108 Beiblatt 2 angegebenen konstruktiven Grundprinzip zuzuordnen sein. Dies gilt sowohl für die Bauteilabmessungen als auch für die Baustoffeigenschaften. Bei abweichender Ausführung ist die Gleichwertigkeit entweder über den Wärmedurchlasswiderstand R der einzelnen Schichten oder anhand des längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten nachzuweisen. In seiner jetzigen Form entsprechen die in dem Regelwerk beschriebenen Bauteilanschlüsse in weiten Teilen nicht mehr heute üblichen Konstruktionen. Vor diesem Hintergrund musste eine entsprechende Regelungslücke in der Energieeinsparverordnung 7, Absatz 3 geschlossen werden. ÜBERARBEITUNG VON DIN 4108, BEIBLATT 2 In einem ersten Arbeitsschritt wurden im Normungsausschuss die erforderlichen Überarbeitungen und Ergänzungen identifiziert, um für die künftige Planung und Nachweisführung effizienter Gebäude eine Anwendbarkeit des Beiblatts 2 der DIN 4108 gewährleisten zu können. Die

2 inhaltlichen Bearbeitungsschwerpunkte lagen hierbei in der Identifizierung der Verweise, Zusammenhänge und Abhängigkeiten in Bezug auf die Bilanzierungsnormen sowie in der Überarbeitung und Erweiterung des Regelwerks. Zusammengefasst stellen sich im Wesentlichen folgende Neuerungen für das Beiblatt dar: Überarbeitung und Ergänzung der Begrifflichkeiten, Regelungen und Definitionen; Überarbeitung und Ergänzung der Berechnungsrandbedingungen; Erarbeitung von fehlenden Anschlussdetails, beispielsweise Innenwandeinbindungen in Außenwände, Innenwandeinbindungen in Bodenplatten, Balkonanschlüsse und Bauteile im Bereich von Tiefgaragen; Neuberechnung der vorhandenen Konstruktionsbeispiele und Erfassung von verbesserten Wärmeschutzniveaus; Ergänzung von gebräuchlichen Anschlusspunkten, beispielsweise untere Fenstertüranschlüsse, Rollladenanschlüsse, Ortgang- und Traufanschlüssen und Vorsatzkästen; Differenzierte Abbildung von konstruktiven Anschlussausbildungen zur Erlangung der Wärmebrückenzuschläge von U WB = 0,05 W/(m²K) und U WB = 0,03 W/(m²K); Überarbeitung und Ergänzung von Bagatellregeln. Vergleichende Betrachtungen der bestehenden Fassung des Beiblatts und der neu aufgenommenen Konstruktionsprinzipien zeigen, dass sich in den meisten Fällen ein verbesserter Referenzwert im Vergleich zur derzeitigen Fassung des Beiblatts einstellt. Zur Einführung eines verbesserten pauschalen Wärmebrückenzuschlags mit U WB = 0,03 W/(m²K) werden die Konstruktionsprinzipien in zwei energetische Kategorien, A und B, eingeteilt, wobei die Kategorie B das verbesserte energetische Niveau mit einem pauschalen Wärmebrückenzuschlag von U WB = 0,03 W/(m²K) beschreibt. Mit Überprüfung und Einhaltung der Gleichwertigkeit kann, wenn bei allen Anschlüssen die Merkmale und Kriterien nach Kategorie A erfüllt sind, der Wärmebrückenzuschlag zu U WB = 0,05 W/(m²K) gesetzt werden. Die Ermittlung eines projektbezogenen individuellen Wärmebrückenzuschlags U WB anhand von Wärmebrückenberechnungen bleibt weiterhin bestehen. Eine beispielhafte Darstellung der Unterscheidung von A- und B-Details zeigt Bild 1. Aus der Abbildung, die einer Entwurfsfassung des neuen Beiblatts entspricht, ist zu erkennen, dass die prinzipielle Form der bisherigen Beiblattgestaltung entspricht. Das skizzierte Anschlussdetail wird hinsichtlich der Materialien (Kennzeichnung über unterschiedliche Schraffuren) und wesentlicher Abmessungen aufgenommen, ggfs. durch Bemerkungen erläutert und mit einem Referenzwert des längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten ref für den Nachweis der Gleichwertigkeit versehen. Die verbesserte Ausführung im oberen Anschlussdetail (Kategorie B) wird im

3 Wesentlichen durch die Verwendung des oberseitig der Decke angeordneten Wärmedämmsteins erreicht. Bild 1: Prinzipdarstellung der Details im neuen Wärmebrückenbeiblatt (Legende: 5 Mauerwerk mit 0,14 1,3; 6 Stahlbeton = 2,3 W/(mK)). BERECHNUNG DER LÄNGENBEZOGENEN WÄRMEDURCHGANGS- KOEFFIZIENTEN Die Berechnung der längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten soll unter den im Beiblatt beschriebenen Rechenrandbedingungen erfolgen. Dies bedeutet, dass Regelungen, die für die Ermittlung des

4 Transmissionswärmeverlustes in den Bereichen mit eindimensionalen Wärmeströmen (Geometrieermittlung und U-Wertberechnungen) auch für die Wärmebrückenbetrachtung gelten. Zur Ermittlung von längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten für an Erdreich oder nicht beheizten Keller angrenzenden Bauteile sind für die Faktoren F bw und F bf die konkreten aus der Berechnung von H T resultierenden F X -Werte zu verwenden. Im rechnerischen Modell werden alle baulichen Stoff- und Geometriedaten (auch die jenseits der Abdichtungsbahnen nach außen befindlichen) der vorhandenen Bauteilschichten abgebildet. Zur Ermittlung der Gleichwertigkeit bei erdberührten Bauteilen kann für die Faktoren F bw und F bf auch vereinfachend für beide Werte 0,6 angesetzt werden (entsprechend R > 1,0 m²k/w für F bw ). Für die Beziehung zwischen Temperaturkorrekturfaktor F und Temperaturfaktor f gilt: F = 1 f. Alternativ zur Abbildung der thermischen Randbedingungen über Temperaturfaktoren können auch die Berechnungsverfahren nach DIN EN ISO [4], DIN EN ISO [5], DIN EN ISO [6] angewendet werden. Bei Bauteilen aus homogenen und inhomogenen Schichten wird der U-Wert des Bereichs mit homogenen Schichten (Regelquerschnitt, z.b. das Gefach bei Sparrendächern) gemäß DIN EN ISO 6946 [7] berechnet. Die Elemente des Anschlussbereichs werden in der Wärmebrückenberechnung modelliert, z.b. Streichsparren und Gefach beim Ortganganschluss (Bild 2). Bild 2: Modellierung eines Ortganganschlusses für den rechnerischen Nachweis der Gleichwertigkeit.

5 Alternativ kann der U-Wert für das gesamte Bauteil aus homogenen und inhomogener Schichten gemäß DIN EN ISO 6946 berechnet und abgebildet werden (Bild 3). Auch hier werden die Elemente des Anschlussbereichs in der Wärmebrückenberechnung modelliert. Bild 3: Alternative Modellierung eines Ortganganschlusses. Bei Bauelementen, beispielsweise Fenstern, Dachflächenfenstern, Rollläden und Lichtkuppeln, stellt die Modellierung der tatsächlichen Geometrie einen hohen Aufwand dar. Aus diesem Grund kann im Wärmebrückennachweis die thermische Qualität des Anschlusses wie bisher [3] mit Ersatzmasken abgebildet werden. Der so berechnete längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizient wird jedoch mit einem Korrekturwert in Abhängigkeit vom Rahmenmaterial, der Anschlusssituation und der Bauart je nach Bauelement beaufschlagt. Alternativ können detailliertere Berechnungen durchgeführt werden. In Bild 4 ist beispielhaft für das Detail Balkonplatte außengedämmtes Mauerwerk die Ergebniszusammenstellung für unterschiedliche Parametervarianten (Dicke der Außenwanddämmung und Einbaulage der Fenstertür) dargestellt. Der Referenz- -Wert im Wärmebrückenbeiblatt orientiert sich am höchsten der hier ermittelten Werte und beträgt für dieses Beispiel 0,3 W/(mK).

6 Balkonplatte - außengedämmtes Mauerwerk Detail Beschreibung Legende Nr. Material Wärmeleit- fähigkeit [W/(m K)] Mauerwerk 1,1 Thermische Trennung 0,13 Innenputz 0,700 Beton, armiert (1%) 2,30 Zementestrich 1,40 Dämmung 0,035 λ R längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient Ψ [W/(m K)] b [mm] ,35 0,30 mittig mittig 0,251 0,279 0,291 0,297 0,25 vor a [mm] vor 0,205 0,231 0,241 0,246 bündig 0,220 0,248 0,259 0,264 Ψ [W/(m K)] 0,20 0,15 0,10 bündig 0,05 0, Dicke Dämmung [mm] Bild 4: Exemplarische Darstellung der Untersuchung von Detailvarianten für den Anschluss Balkonplatte außengedämmtes Mauerwerk. Die Einbaulagen der Fenstertür bedeuten mittig = Rahmenprofil mittig in der Mauerwerksebene, bündig = Rahmenprofil außen bündig mit dem Mauerwerk, vor = Rahmenprofil in der Dämmebene. Die Überarbeitung und Anpassung der bisher im Wärmebrückenbeiblatt dargestellten Rechenrandbedingungen erfolgt auf den Angaben zur Bestimmung der wärmeübertragenden Umfassungsfläche der DIN V BEHANDLUNG VON WÄRMEBRÜCKEN BEI DER ENERGETISCHEN GEBÄUDBEWERTUNG Der Nachweis der Gleichwertigkeit wird weiterhin wie im derzeitigen Wärmebrückenbeiblatt beschrieben durchgeführt. Jedoch besteht bei fehlender Konformität eines oder mehrerer Konstruktionsprinzipien zu im Beiblatt dargestellten Konstruktionsprinzipien bzw. zu einem oder mehreren Konstruktionsprinzipien der Kategorie B bei einem oder mehreren Anschlüssen

7 die Möglichkeit, auf den pauschalen Wärmebrückenzuschlag U WB einen Korrekturwert anzurechnen. Die Korrektur darf jedoch nur verwendet werden, wenn der projektbezogene längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizient jeweils größer ist als der jeweils entsprechende Referenzwert des längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten. Die Korrektur berücksichtigt dann die (positive) Differenz zwischen dem projektbezogenen längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizient und dem entsprechenden Referenzwert. Dieses Vorgehen kann analog auch für nicht enthaltene Wärmebrücken angewendet werden, wobei der volle projektbezogene längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizient anzusetzen ist. Der Wärmetransport über Wärmebrücken wird gemäß DIN V in der Neufassung von 2016 detailliert oder durch einen pauschalen Zuschlag bezogen auf die wärmeübertragende Umfassungsfläche berücksichtigt. Der Wärmetransferkoeffizient für Transmission über zweidimensionale Wärmebrücken ist dazu nach Gleichung (1) zu berechnen: H T,WB = U WB Σ A j (1) Dabei ist U WB der Wärmebrückenzuschlag; A j die Fläche eines Bauteils j, das die Gebäudezone zur Außenluft, zu unbeheizten oder ungekühlten Zonen oder zum Erdreich hin begrenzt. Als Maße von Fenstern und Türen werden die lichten inneren Rohbauöffnungen angesetzt; j ein Bauteil. Der Wärmebrückenzuschlag muss folgende Wärmebrückentypen berücksichtigen: Gebäudekanten; Sockelanschlüsse; Fenster- und Fenstertüranschlüsse; Fassadenanschlüsse Dachanschlüsse; Wand- und Deckeneinbindungen; Deckenauflager; Balkonplatten, sonstige auskragende Bauteile. Ohne Nachweis ist allgemein U WB = 0,10 W/(m 2 K) zu setzen, bei Außenbauteilen mit innenliegender Dämmschicht und einbindender Massivdecke beträgt U WB = 0,15 W/(m 2 K). Mit Überprüfung und Einhaltung der Gleichwertigkeit nach DIN 4108 Beiblatt 2 kann wie folgt verfahren werden:

8 Wenn bei allen Anschlüssen die Merkmale und Kriterien nach Kategorie B erfüllt sind, kann der Wärmebrückenzuschlag zu U WB = 0,03 W/(m 2 K) gesetzt werden. In allen anderen Fällen darf der Wärmebrückenzuschlag zu U WB = 0,05 W/(m 2 K) gesetzt werden. Die Wärmebrückenwirkung kann alternativ projektbezogen ermittelt und mittels eines individuellen Wärmebrückenzuschlags U WB berücksichtigt werden. In folgenden Fällen kann auf den pauschalen Wärmebrückenzuschlag von U WB = 0,05 W/(m²K) bzw. U WB = 0,03 W/(m²K) ein Korrekturwert eingerechnet werden: 1) Es kann keine Konformität (Gleichwertigkeitsnachweis) zu einem oder mehreren im Beiblatt dargestellten Konstruktionsprinzipien bzw. zu einem oder mehreren Konstruktionsprinzipien der Kategorie B hergestellt werden. In diesen Fällen ergibt sich der Korrekturwert zu: U WB = ( Ψ i l i )/A + 0,05 bzw. U WB = ( Ψ i l i )/A + 0,03 (2) Hierbei bedeuten: Ψ i Differenz des projektbezogenen temperaturbewerteten Ψ-Wertes zum jeweiligen im Beiblatt dargestellten Ψ-Referenzwert l i Länge der betreffenden Anschlusssituation A die wärmeübertragende Umfassungsfläche des Gebäudes Die vorbeschriebene Korrektur darf nur verwendet werden, wenn der vorhandene Ψ-Wert größer ist als der jeweils entsprechende Referenz- Ψ-Wert. 2) Werden im Beiblatt nicht enthaltene Wärmebrücken berücksichtigt, ergibt sich der Korrekturwert zu: U WB = (Ψ i l i )/A + 0,05 bzw. U WB = (Ψ i l i )/A + 0,03 (3) Hierbei bedeuten: Ψ i temperaturbewerteter Ψ-Wert der betreffenden Anschlusssituation l i Länge der betreffenden Anschlusssituation A die wärmeübertragende Umfassungsfläche des Gebäudes Werden bei der Berechnung der Wärmetransferkoeffizienten nach außen Außenbauteile einbezogen, bei denen der Wärmebrückeneinfluss bereits im U j -Wert berücksichtigt worden ist, z. B. bei nach DIN EN ISO berechneten Wärmedurchgangskoeffizienten für Vorhangfassaden, darf die für den Wärmebrückenzuschlag zu berücksichtigende wärmeübertragende Umfassungsfläche ΣA j in Gleichung (1) um die entsprechenden Bauteilflächen vermindert werden.

9 In Fällen, in denen kein pauschaler Wärmebrückenzuschlag in Ansatz gebracht werden soll, kann ein projektbezogener Wärmebrückenzuschlag U WB wie folgt ermittelt werden U WB = H T,WB / A j (4) Dabei ist H T,WB der Wärmetransferkoeffizient für Transmission über zweidimensionale Wärmebrücken; A j die Fläche eines Bauteils j, das die Gebäudezone zur Außenluft, zu unbeheizten oder ungekühlten Zonen oder zum Erdreich hin begrenzt. Als Maße von Fenstern und Türen werden die lichten inneren Rohbauöffnungen angesetzt; j ein Bauteil. Der Wärmetransferkoeffizient für Transmission über zweidimensionale Wärmebrücken wird wie folgt berechnet H T,WB = (l j Ψ j ) + (F x,i l i Ψ Fx,i ) (5) Dabei ist Ψ j der temperaturbewertete längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizient der Wärmebrücke j, berechnet nach DIN EN ISO unter Verwendung der Randbedingungen aus DIN 4108 Beiblatt 2; l j die Länge der zweidimensionalen Wärmebrücke j; i, j eine zweidimensionale Wärmebrücke; Ψ Fx,i der längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizient der Wärmebrücke i, berechnet nach DIN EN ISO unter Verwendung der Randbedingungen aus DIN 4108 Beiblatt 2; l i die Länge der zweidimensionalen Wärmebrücke i; F X Temperatur-Korrekturfaktor nach DIN V Die längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten Ψ oder Ψ Fx können Wärmebrückenkatalogen entnommen werden oder sind mit geeigneten mehrdimensionalen Berechnungsverfahren nach DIN EN ISO zu berechnen. Es sind die Ψ- oder Ψ Fx -Werte mit Bezug auf das Außenmaß entsprechend DIN V Abs. 8 in der Berechnung des Wärmetransferkoeffizienten H T,WB zu berücksichtigen. Der projektbezogene Wärmebrückenzuschlag U WB ist auf drei wertanzeigende Stellen zu runden, wenn er ein Endergebnis darstellt.

10 BEISPIELBERECHNUNGEN Für das in Bild 5 gezeigte Mehrfamilienhaus mit einer wärmeübertragenden Hüllfläche von A ges = 848 m² soll beispielhaft die Bestimmung von Wärmebrückenkorrekturwerten vorgestellt werden. Bild 5: Schematische Darstellung des betrachteten Mehrfamilienhauses [8]. Zur Bestimmung der U WB -Werte für die Kategorien A und B werden zunächst exemplarisch außengedämmte Konstruktionen mit nachfolgend aufgeführten Spezifikationen betrachtet: Außenwand A: 160 cm Dämmung, Wärmeleitfähigkeit MW 1,1 W/(mK) B: 200 cm Dämmung, Wärmeleitfähigkeit MW 0,14 W/(mK) Kellerdecke A: unten gedämmt 80 mm B: oben gedämmt 140 mm (mit Wärmedämmstein) Flachdach A: 140 cm Dämmung, Attikaüberdämmung 5 cm B: 200 cm Dämmung, Attikaüberdämmung 10 cm Balkonplatte thermische Trennung A: 8 cm Dämmung B: 12 cm Dämmung

11 In Tabelle 1 sind die Längen der einzelnen Wärmebrücken und die längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten der Anschlussdetails für o.g. Spezifikationen zusammengestellt. Für Ausführungen gemäß Kategorie A resultiert der pauschale Wärmebrückenzuschlag zu U WB = 0,054 W/(m²K) und ein Wert von U WB = 0,031 W/(m²K) für die Kategorie B. Tabelle 1: Zusammenstellung der Berechnungsdaten und ergebnisse für das in Bild 3 dargestellte Mehrfamilienhaus bei der Außenwandausführung außengedämmtes Mauerwerk. Kategorie A Kategorie B Länge l m ᴪ W/(m K) l ᴪ W/K ᴪ W/(m K) l ᴪ W/K Bezeichnung Kellerdecke / Außenwand 53,9 0,266 14,337 0,116 6,252 Kellerdecke + Türschwelle 1,5-0,127-0,191-0,156-0,234 Innenwand 11,5 / Kellerdecke 15,9 0,232 3,689 0,143 2,274 Innenwand 17,5 / Kellerdecke 26 0,232 6,032 0,143 3,718 Innenwand 24 / Kellerdecke 18,5 0,232 4,292 0,143 2,646 Innenwand 11,5 / Außenwand 17,8-0,003-0,053-0,002-0,036 Innenwand 17,5 / Außenwand 17,8-0,003-0,053-0,002-0,036 Außenkante 53,4-0,061-3,257-0,066-3,524 Innenkante / Innenwand 35,6 0,021 0,748 0,021 0,748 Geschossdecke 70,4 0,001 0,070 0,013 0,915 Balkonplatte 10,4 0,248 2,579 0,181 1,882 Fenstersturz + Rollladen 41,7 0,124 5,171 0,156 6,505 Fensterlaibung 75,6 0,029 2,192-0,001-0,076 Fensterbrüstung 26,1 0,089 2,323 0,059 1,540 Terrassentür 5,2-0,127-0,191-0,156-0,811 Flachdach (Attika) / Wand 55,4 0,144 7,978 0,077 4,266 Innenwand / Flachdach 60,4-0,003-0,181-0,001-0,060 Summe 45,485 25,969 U WB 0,054 0,031 Für weitere Ausführungen der Außenwand monolithisches Mauerwerk, außengedämmter Stahlbeton, zweischaliges Mauerwerk, Holzbau - zeigt Tabelle 2 die Ergebnisse der pauschalen Wärmebrückenzuschläge U WB. Tabelle 2: Zusammenstellung der Berechnungsdaten und ergebnisse für das in Bild 3 dargestellte Mehrfamilienhaus bei den Außenwandausführungen monolithisches Mauerwerk, außengedämmter Stahlbeton, zweischaliges Mauerwerk und Holzbau. Außenwandausführung U WB Kategorie A U WB Kategorie B monolithisches MW 0,034 0,034 außengedämmter Stahlbeton 0,061 0,040 zweischaliges MW 0,050 0,026 Holzbau (belüftet) 0,021 0,011

12 Literaturhinweise [1] DIN V : , Energetische Bewertung von Gebäuden Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung Teil 2: Nutzenergiebedarf für Heizen und Kühlen von Gebäudezonen. [2] DIN V : , Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden Teil 6: Berechnung des Jahresheizwärme- und des Jahresheizenergiebedarfs. [3] DIN 4108 Beiblatt 2: , Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden - Wärmebrücken - Planungs- und Ausführungsbeispiele. [4] DIN EN ISO 10211: , Wärmebrücken im Hochbau - Wärmeströme und Oberflächentemperaturen - Detaillierte Berechnungen. [5] DIN EN ISO 13370: , Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden Wärmeübertragung über das Erdreich Berechnungsverfahren. [6] DIN EN ISO 14683: , Wärmebrücken im Hochbau Längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient Vereinfachte Verfahren und Anhaltswerte. [7] DIN EN ISO 6946: , Bauteile Wärmedurchlasswiderstand und Wärmedurchgangskoeffizient Berechnungsverfahren. [8] S. Klauß und W. Kirchhoff, Entwicklung einer Datenbank mit Modellgebäuden für energiebezogene Untersuchungen, insbesondere der Wirtschaftlichkeit, Kassel: ZUB, 2010.