Energiegewinnfenster für die Energiewende

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1 Seite 1 von 11 Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Sieberath, Leiter ift Rosenheim Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Benitz-Wildenburg, Leiter PR & Kommunikation Energiegewinnfenster für die Energiewende Energie sparen und gewinnen mit Fenstern, Fassaden und Verglasungen Energie sparen ist eine zentrale Aufgabe für die europäischen Volkswirtschaften, um die CO 2 -Emissionen und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, die Gefahren der Atomtechnik zu vermeiden sowie die Risiken des Klimawandels zu reduzieren. Der Gebäudehülle mit Fenstern, Verglasungen und Sonnenschutz kommt dabei eine große Bedeutung zu, da der Energiehaushalt von Gebäuden dadurch maßgeblich beeinflusst wird. Moderne Fenster können aber nicht nur den Energieverbrauch reduzieren, sondern auch aktiv Energie gewinnen. Auf der Süd-, Ost- und Westseite können bereits heute erhebliche solare Energiegewinne realisiert werden. Auch die notwendige Lüftung kann bedarfsgerecht und effizient durch eine dezentrale natürliche Fensterlüftung realisiert werden, und leistungsfähige Sonnenschutzsysteme helfen die Kühllasten im Sommer zu vermeiden und dennoch die Räume mit ausreichendem Tageslicht zu versorgen. Durch mechatronische Antriebe und Sensoren sowie die Anbindung an die Haustechnik können noch einmal erhebliche Verbesserungen der Energieeffizienz, der Sicherheit und des Nutzungskomforts realisiert werden. Moderne Fenster sind heute High-Tech-Bauteile, die sehr hohe Ansprüche an die Planung, die Herstellung und die Montage stellen. Optimierung der Wärmedämmung Der größte Hebel für Energieeinsparungen ist die energetische Sanierung des Baubestandes. Ein großes Potenzial bietet dabei der Austausch von Fenstern bzw. Verglasungen, die vor 1995 eingebaut wurden, da hier noch keine Wärmeschutzbeschichtungen eingesetzt wurden und der Glas-U-Wert nur bei ca. 2,7 3,0 W/(m² K) liegt. Vereinfacht gerechnet können jährlich pro U-Wert-Verbesserung eines Fensters um 0,1 W/(m² K) rund 1,2 Liter Heizöl pro m² eingespart werden also bis zu Liter bei einem Haus mit 44 m² Fensterfläche und Fenstern mit einem U W -Wert von 1,1 anstatt 3,0 W/(m² K). Dies zeigen Beispielrechnungen im ift Rosenheim. Auch der Wohnkomfort wird mit neuen Fenstern und Isoliergläsern verbessert, weil die kalten Oberflächen alter Verglasungen und ein kalter Luftzug durch undichte Fenster entfallen. So lässt sich der Energieverbrauch reduzieren, weil die Raumtemperatur gesenkt werden kann und sich pro Grad Temperaturabsenkung eine Energieeinsparung von bis zu 5 % ergibt. Neben dem U-Wert

2 Seite 2 von 11 muss auch der Gesamt-Energiedurchlassgrad (g-wert) des Glases beachtet werden, der die maßgebliche Kenngröße für die Solargewinne ist und heute über 0,6 % liegen sollte. Die Aufgaben für neue Fenster lassen sich daraus wie folgt ableiten: Weitere Verbesserung der wärmedämmenden Eigenschaften und Vermeidung von Wärmebrücken beim Baukörperanschluss, Minimierung der Lüftungswärmeverluste durch dezentrale Fensterlüftung, die auch mit Wärmerückgewinnung realisiert werden kann, Optimierung des sommerlichen Wärmeschutzes durch integrierte Sonnenschutzsysteme, Nutzung der Sonnenenergie durch eine Erhöhung des Glasanteils und Optimierung des g-wertes, Reduzierung von Kunstlichteinsatz durch bessere Lichttransmission und Lichtlenkung, Energieeinsparung durch Anbindung der Fenster an die Haustechnik, beispielsweise Fenster auf Heizung aus. Der U-Wert von Fenstern wird aus den Kennwerten von Rahmen, Verglasung bzw. Randverbund des Glases gebildet. Da der Flächenanteil der Verglasung am größten ist und Dreifachgläser einen besseren U-Wert haben, bringt eine Verringerung des Rahmenanteils deutliche Verbesserungen. Hier können Fenster mit geklebten Gläsern und geringem Rahmenanteil punkten. Neue Fensterkonstruktionen müssen alle Optimierungsmöglichkeiten nutzen. Hierzu zählen: Einsatz neuer Materialien und Beschichtungen mit geringerer Wärmeleitfähigkeit und Oberflächenabstrahlung, Optimierung der Profilgeometrie (Kammeranzahl, verbesserte Wärmedämmzonen), Verbesserung der Fenstersysteme (Dichtungsebenen, Glaseinstand etc.), Reduzierung der Profilbreiten (höherer Glasanteil), Verbesserung der Baukörperanschlüsse (Abdichtung und Dämmung), Verbesserung der Randverbundsysteme, Klebetechniken verbessern die Fensterstatik, das heißt schlankere Profile, möglicher Verzicht auf Stahlaussteifung und größere Formate. Bei Kunststoffprofilen ist die Stahlaussteifung die wärmetechnische Schwachstelle. Neben wärmetechnisch optimierten oder sogar wärmetechnisch getrennten Stahlaussteifungen geht der Trend deshalb konsequent zu Konstruktionen ohne Stahlaussteifung. Dies gelingt durch Glasverklebungen im Flügelprofil, den Einsatz von modifizierten Kunststoffen und der Dämmung der Hohlräume. Durch die Verklebung von Glasfüllung und Fensterrahmen wird die Last gleichmäßig abgeleitet und das Glas wirkt aussteifend. Die notwendige Konstruktionsbreite wird schmäler und bei Kunststofffenstern wird die Stahlaussteifung oft überflüssig. Dabei muss aber besonderes Augenmerk auf die Verträglichkeit von Klebung und Randverbund des Isolierglases und die Produktionsparameter gelegt werden. Deshalb sollten nur ausreichend geprüfte und bewährte Systeme verarbeitet werden.

3 Seite 3 von 11 Bild 1 Innovative Fensterkonstruktionen nutzen Klebetechnologien Bei Holz- und Holzmetallfenstern ergeben sich Verbesserungsmöglichkeiten durch die Erhöhung der Bautiefe und durch Verbundprofile aus Werkstoffen mit geringerer Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Polyurethan-Hartschäume (PUR) oder Kork, die sich gut mit Holz verkleben lassen, eine ausreichende Festigkeit haben und mit λ-werten zwischen 0,04 bis 0,05 W/(m K) deutlich besser dämmen als Weichholz mit 0,13 W/(m K). Auch die Wärmebrücken im Bereich der Wetterschutzschiene können durch thermisch getrennte oder aufgesetzte Systeme weiter verringert werden. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von Hölzern mit geringerer Wärmeleitung, deren Festigkeit und Witterungsbeständigkeit durch Modifizierungsverfahren verbessert werden. Bild 2 Optimierung der wärmetechnischen Eigenschaften durch Verbundkonstruktionen Wenn man das Fenster als Gesamtsystem inklusive dem Baukörperanschluss betrachtet, finden sich hier auch deutliche Optimierungsmöglichkeiten, denn im Übergangsbereich zur Außenwand entsteht eine lineare Wärmebrücke, deren Energieverlust über einen -Wert angegeben wird und in der Regel ohne Nachweis durch einen pauschalen

4 Seite 4 von 11 Aufschlag von U = 0,1 W/m ²K auf die gesamte Gebäudehülle berücksichtigt wird. Wärmetechnisch optimierte Baukörperanschlüsse, beispielsweise bei der Überdämmung des Blendrahmens, können sehr kleine Werte und sogar Negativwerte erreichen. Bei schlechten Baukörperanschlüssen können die Energieverluste größer als über das gesamte Fenster sein. Energetisch ist die Reduzierung des -Wertes um 0,12 W/m K energetisch gleichwertig wie die Reduzierung des U-Wertes eines Fenster mit Standardgröße (123 x 148 m 2 ) um U W = 0,4 W/m² K. Diesem Zusammenhang wird auch bei der ift-richtlinie für passivhaustaugliche Bauteile intensiv Rechnung getragen. Bild 3 Kennwerte für die Optimierung beim Fenstereinbau Im Glasbereich hat sich das Dreifach-Isolierglas mit U g -Werten von 0,7 W/(m² K) als Standardverglasung für energieeffiziente Fenster etabliert. Die U g -Werte von bis zu 0,5 W/(m² K) mit Krypton- oder Xenonfüllung werden aus Vertriebsgründen gerne kommuniziert, sind aber in der Praxis selten zu finden, da diese Edelgase knapp und teuer sind. Auch eine wärmetechnisch sinnvolle Erhöhung des Scheibenzwischenraums (SZR) über 16 mm sollte nicht gemacht werden, da die höheren Klimalasten zu Glasbruch oder Undichtigkeiten führen können. Wichtig ist auf jeden Fall ein guter g-wert mit 0,6 oder besser, um die solaren Gewinne nicht zu verringern. Weitere Verbesserungen ergeben sich durch wärmetechnisch optimierte Randverbünde ( -Werte von verbesserten Abstandhalterprofilen finden sich in Datenblätter des Bundesverbandes Flachglas BF) oder durch einen tieferen Glaseinstand, denn der U W -Wert des Fensters kann bei einem Glaseinstand von z.b. 25 mm um bis zu 0,05 W/(m 2 K) verbessert werden. Dies bewirkt auch eine Erhöhung der Oberflächentemperatur im Glasrandbereich und vermindert so den Tauwasseranfall bei geringen Außentemperaturen. Die Marktreife von Vakuumverglasungen ist leider noch nicht absehbar, so dass konstruktive Planungen aktuell wenig Sinn machen.

5 Seite 5 von 11 Bild 4 Kennwerte von Dreifachglas Energieeffiziente Lüftung Eine ausreichende Lüftung der Wohnräume ist aus gesundheitlichen und baulichen Gründen zwingend notwendig und kann mit ca. 30 m 3 /h pro Person beziffert werden. Zusätzliche Belastungen durch offene Verbrennungsstätten (Kaminofen) und Emissionen von Computern, Druckern und Hausgeräten sind zu beachten. Auch die anfallende Luftfeuchte muss sicher aus dem Innenraum transportiert werden, um Tauwasser und Schimmelpilzbildung zu verhindern. Die anfallende Feuchte durch Duschen, Pflanzen, Kochen oder Waschen ist sehr stark von individuellen Lebensgewohnheiten abhängig und sollte deshalb am besten durch Hygrometer kontrolliert werden, um die Luftfeuchte im idealen Bereich von 45 bis 60 % zu halten. Unzureichendes Lüftungsverhalten führt nach der Gebäudesanierung oft zu erhöhten Feuchtebelastungen im Innenraum und in der Folge zur Bildung von Schimmelpilz, weil die bisherigen Undichtigkeiten bei Fenstern und Fugen nicht mehr zur Lüftung zur Verfügung stehen. Aufgrund der geänderten Lüftungs- und Lebensgewohnheiten kann eine nutzerunabhängige Lüftung zum Feuchteschutz durch Fenster mit manuellen Öffnungsfunktionen nicht mehr sichergestellt werden (Stoßlüftung). Deshalb ist eine Weiterentwicklung der Fensterlüftung notwendig, beispielsweise durch eine motorische Öffnungsmechanik, neue Beschlagsfunktionen oder Lüftungssysteme, die ins Fenster integriert werden (sogenannte Fensterlüfter ). Fensterlüfter eignen sich für den Einsatz beim Fenstertausch, beim Neubau und für die Nachrüstung in bestehenden Fenstern. Gerade bei Modernisierungen kann durch ein Lüftungskonzept mit Fensterlüftern den Bedenken von Bauherrn hinsichtlich Tauwasser und Schimmelpilzbildung begegnet werden. Zur Ermittlung der Leistungseigenschaften von Fensterlüftern hat das ift

6 Seite 6 von 11 Rosenheim die Richtlinie LU-01/1 Fensterlüfter Leistungseigenschaften erarbeitet, die eine ganzheitliche Bewertung von Lüftungseinrichtungen ermöglicht. Diese Richtlinie gilt für dezentrale Lüftungselemente, die in das Fenster integriert sind oder in direktem Zusammenhang mit dem Fenster stehen und die manuell, automatisch oder sensorisch geregelt sein können. Hierzu zählen: Luftdurchlässe bzw. Überströmöffnungen, Fensterbanklüfter, Aufsatzelemente, Fensterfalzlüfter, beschlagsgeregelte Lüfter, ventilatorbetriebene Lüftungsgeräte, mit oder ohne Wärmerückgewinnung. Die ift-richtlinie LU-02/1 Fensterlüfter Einsatzempfehlungen für Fensterlüfter sowie kostenlose Rechentools auf der ift-website ermöglichen eine einfache und schnelle Planung der notwendigen Mindestlüftung und einer Dimensionierung der Fensterlüfter. Bild 5 Fensterlüfter Funktionsprinzipien und Anforderungen, gemäß ift-richtlinie LU-01/1 Fensterlüfter Leistungseigenschaften

7 Seite 7 von 11 Energie gewinnen Die Sonne liefert fast 3000-mal mehr Energie als weltweit verbraucht wird. Energiegewinnhäuser sind deshalb eine folgerichtige Weiterentwicklung des Passivhauses und gewinnen an Marktbedeutung. Mit Fenstern, Fassaden und Verglasungen lässt sich diese Energie besonders einfach und ohne weitere Pumpen, Steuerungen und weitere Aggregate nutzen. Um deren energetische Leistungsfähigkeit zu bewerten, muss deshalb neben dem U-Wert auch der Gesamtenergiedurchlassgrad g als bestimmender Faktoren für die Nutzung der Sonnenenergie in den Vordergrund rücken. Die Nutzung der Sonnenenergie wird ideal ergänzt durch eine gesteuerte Verschattung und thermische Pufferspeicher, um eine Überhitzung des Gebäudeinneren zu verhindern. Die Strahlungsenergie der Sonne kann zusätzlich mit Photothermie und Photovoltaik in der Gebäudehülle genutzt werden. Bislang werden solche Bauelemente oft noch additiv eingesetzt, also als separates Element zu einer konventionellen Gebäudehülle hinzugefügt, meist auf dem Dach. Sinnvoller ist jedoch der Einsatz als Building Integrated Photovoltaic (BIPV), für die zur Zeit eine eigene EN-Norm erarbeitet wird. PV-Elemente mit Dünnschichttechnik werden in den Markt neue Dynamik bringen, da die PV-Module nur unwesentlich teurer als übliche Fassadenverkleidungen sein sollen. Bild 6 Energiegewinn von Fenstern mit unterschiedlichen Glasaufbauten inkl. der solaren Gewinne (Solargewinnfaktor SF) ohne Berücksichtigung der Gebäudesituation

8 Seite 8 von 11 Mechatronische Komponenten Der Einsatz von elektronischen und elektromechanischen Bauteilen ist eine Schlüsseltechnologie für die Fenster-, Türen- und Fassadenbranche, denn damit lassen sich die steigenden Anforderungen an Energieeffizienz, Nutzerkomfort, Sicherheit und Barrierefreiheit optimal erfüllen. In modernen Bürogebäuden können intelligente Fenster und Fassaden den Einsatz von Klimaanlagen und künstlichem Licht reduzieren und gleichzeitig das Wohlbefinden der Nutzer erhöhen. Die Integration gebäudetechnischer Anlagen (Sonnenschutzsysteme, Lüftungsgeräte, Beleuchtung) in die Fassade bringt Vorteile. Sensoren messen Einflussgrößen wie Luftqualität, Lichtstärke, Luftfeuchte und Raumtemperatur und lösen automatisch bedarfsorientierte Reaktionen aus. Bei der Verwendung elektronischer Bauelemente und deren Anbindung an die Gebäudetechnik gibt es aber derzeit noch etliche Probleme, beispielsweise wenig Regelwerke und Vorgaben, die Angaben zu Anordnung und Ausführung der elektrischen Leitungen machen. Auch die Schnittstelle zu anderen Baugewerken ist unzureichend definiert und erschwert Planung und Einsatz. Deshalb hat das ift Rosenheim die ift-richtlinie EL-01/1 Elektronik in Fenstern, Türen und Fassaden erarbeitet, in der sich viele praktische Hinweise zur richtigen Planung, zur Ausführung und zu Fragen der Nutzungssicherheit finden. Bild 7 Leitungsführung in Fensterprofilen aus Holz (ift-richtlinie EL-01/1)

9 Seite 9 von 11 Nachhaltigkeit & Green Window Der Bau- und Immobilienbereich verbraucht große Mengen an Energie und Rohstoffen für die Herstellung und den sehr langen Nutzungszeitraum und hat damit einen großen Einfluss auf Umwelt und Klima. Nachhaltige Gebäude müssen deshalb energieeffizient sein und sollten das Wohnen auch sozialer, gesünder und komfortabler machen. Fenster spielen dabei eine wichtige Rolle, da das Wohnklima, die Tageslichtversorgung und die natürliche Lüftung wesentlich beeinflusst werden. Hersteller von Bauelementen werden in Zukunft stärker mit dem Thema konfrontiert, weil Anforderungen zur Nachhaltigkeit zunehmend in Ausschreibungen auftauchen beispielsweise, weil ein Bauherr oder die Bank ein Nachhaltigkeitszertifikat des Gebäudes fordert, ob aus Imagegründen oder zur Absicherung der Investition. Nachhaltiges Bauen wird auch in der neuen europäischen Bauproduktenverordnung gefordert, die im März 2013 verbindlich wird, und wesentliche Anforderungen zur nachhaltigen Nutzung und Umweltrelevanz enthält. Den Nachweis werden Hersteller wohl im Rahmen einer Umweltproduktdeklaration/EPD (Environmental Product Declaration) nach DIN EN ISO oder pren führen müssen. Bei der Erstellung einer EPD muss zwar nur der Lebenszyklus der Herstellung betrachtet werden, aber die weiteren Phasen Nutzung, Rückbau und Recycling sollten auch dokumentiert werden. Denn bei der Gebäudehülle sind die Einflüsse während der Nutzungsphase wesentlich bedeutsamer, beispielsweise wenn es um Energieverbrauch, Wartungsintervalle und die Nutzungsdauer geht. Neben den Pflichtangaben empfiehlt das ift Rosenheim daher optionale Angaben zu weiteren Lebenszyklusphasen zu machen. Die Erstellung einer EPD kann auf Basis einer Durchschnitt-EPD erfolgen, bei der auf durchschnittliche Branchenkenndaten zurückgegriffen werden kann. Im Rahmen eines umfangreichen Forschungsprojekts, dass das ift Rosenheim gemeinsam mit dem Institut Bauen und Umwelt e.v. (IBU), PE International GmbH sowie den Branchenverbänden Bundesverband Flachglas e.v. (BF), Fachverband Schloss und Beschlag e.v. (FV S+B), Qualitätsverband Kunststofferzeugnisse e.v. und dem Verband Fenster + Fassade e.v. (VFF) durchführt, werden einfache Nachweisverfahren entwickelt. Die Förderung erfolgt im Rahmen der Forschungsinitiative Zukunft Bau durch das BBR. Detaillierte Informationen finden sich auch in der ift-fachinformation NA-02/1, in der Grundlagen, Zusammenhänge und Aufgaben für Hersteller, Verarbeiter und Planer detailliert erläutert werden.

10 Seite 10 von 11 Bild 8 Kriterien, die in einer Ökobilanz/EPD ermittelt werden Fazit Neue Fenster, Fassaden und Verglasungen sind zur Realisierung der geplanten Energiegewinnhäuser notwendig. Die bisherige Fixierung auf den U-Wert als Kenngröße für die Wärmedämmung muss deshalb durch eine intelligente Kombination von gutem Wärmeschutz, der optimalen Nutzung solarer Gewinne, energieeffizienter Fensterlüftung, optimierten Baukörperanschlüssen sowie im Objektbau notwendigen Systemen für Verschattung, Blendschutz und Tageslichtlenkung abgelöst werden. Hierzu sind auch mechatronische Komponenten und die Integration in die Haustechnik notwendig, mit denen sich die Energieeffizienz, die Sicherheit und der Nutzungskomfort verbessern lassen. Diese Entwicklung muss auch durch neue Nachweise berücksichtigt werden, beispielsweise durch ein intelligentes Energylabel. Das ift Rosenheim, als international tätige Prüf-, Forschungs- und Zertifizierungsstelle unterstützt diese Entwicklung durch Forschungsprojekte, Publikationen, Richtlinien und Weiterbildung, damit diese Technik erfolgreich in der Praxis umgesetzt wird und die gewünschte Gebrauchstauglichkeit über einen langen Zeitraum sichergestellt wird.

11 Seite 11 von 11 Bild 9 Modernes Energiefenster mit leistungsfähigem Sonnenschutz und Lichtlenkungssystem Autoreninformation Ulrich Sieberath ist der Leiter des ift Rosenheim und seit ca. 30 Jahren in der Fenster-, Fassaden- und Glasbranche tätig. Er stellt seine umfangreiche Erfahrung und Sachkenntnis in einer Vielzahl von technischen Ausschüssen und Fachgremien sowie als Gutachter, Fachreferent, Autor und Lehrbeauftragter national und international zur Verfügung. Jürgen Benitz-Wildenburg leitet im ift Rosenheim den Bereich PR & Marketingkommunikation. Als Schreiner, Holzbauingenieur und Marketingexperte ist er seit vielen Jahren in der Holz- und Fensterbranche in verschiedenen Funktionen tätig. Als Lehrbeauftragter, Referent und Autor gibt er seine Erfahrung weiter. Das ift Rosenheim existiert seit Es begleitet als neutrale Einrichtung die Fenster-, Fassaden- und Türenbranche in allen Fragen der Forschung, Normung, Zertifizierung und Zulassung. Die ift-richtlinien sind technische Regelwerke, die Normen ergänzen und deren praktische Anwendung erleichtern. Die Basis dafür sind Erkenntnisse und Erfahrungen aus Industrie, Wissenschaft, Forschung, Prüfungen und Gutachten. Seit März 2009 bietet das ift zusammen mit der Hochschule Rosenheim den berufsbegleitenden Masterstudiengang Fenster und Fassade an. Kontakt:,