Wärmebrücken. Wärmebrücken. Baukonstruktion. Prof. Dr.-Ing. Julian Kümmel. Wärmebrücken. Wärmebrücken. Wärmebrücken Master SO 2014

Transkript

1 Baukonstruktion Prof. Dr.-Ing. Julian Kümmel

2

3 Wärmebrücke? 9 10 Wärmebrücke? Auswirkungen von Schwachstellen in der Gebäudekonstruktion Lokal erhöhter Wärmestrom Niedrigere Oberflächentemperatur auf der Bauteilinnenseite Gefahr der Anreicherung von Feuchte Gefahr der Schimmelbildung Optischer Mangel / Gesundheitsbeeinträchtigung Geometrisch / stofflich bedingte 11 12

4 Schimmelbildung Voraussetzungen für Schimmelbildung Feuchtigkeit Freies Wasser auf Oberflächen oder in Poren muss vorhanden sein Temperatur Besonders schnelles Wachstum in Temperaturbereichen zwischen 15 und 30 C Voraussetzungen für Schimmelbildung Voraussetzungen für Schimmelbildung Nahrung Schimmelpilze benötigen für Bildung und Wachstum Proteine als Nahrung; in der Regel auf Oberflächen oder in der Luft immer vorhanden Sauerstoff Schimmelpilze gewinnen Wachstumsenergie aus der Oxidation von Proteinen Günstiger Untergrund Poröse Untergründe mit Poren über 0,05 mm sind günstig; alkalisches Porenwasser schädigt die Zellstruktur, ein Schimmelpilzwachstum findet nicht statt Zeit Sporen sind in der Luft in großen Mengen vorhanden; die Inkubationszeit für die Bildung von Hyphen, der Grundstruktur der Pilze beträgt eine Woche 15 16

5 Definition nach DIN EN ISO Arten von Teil einer Gebäudehülle, wo der ansonsten normal zum Bauteil auftretende Wärmestrom deutlich verändert wird durch: eine volle oder teilweise Durchdringung der Gebäudehülle durch Baustoffe unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit einen Wechsel in der Dicke der Bauteile eine unterschiedlich große Innen- und Außenoberfläche Geometrie und wärmetechnische Eigenschaften Konstruktive Wärmebrücke Geometrische Wärmebrücke Außenwand mit außen gedämmter Betonstütze Außenwand mit innen gedämmter Betonstütze 19 20

6 Wandübergang monolithisch - innengedämmt 7 Mindestwärmeschutz, (2) Gebäude sind so auszuführen, dass der Einfluss konstruktiver auf den Jahres-Heizwärmebedarf nach den anerkannten Regeln der Technik und den im jeweiligen Einzelfall wirtschaftlich vertretbaren Maßnahmen so gering wie möglich gehalten wird. Quelle: EnEV 2009/2014 Wärmebrücke im Übergang zwischen einer monolithischen Wand und einer innen gedämmten Wand. Beide Wandbereiche weisen einen U-Wert von U = 0,3 W/(m 2 K) auf Mindestwärmeschutz, Erfassung von (3) Der verbleibende Einfluss der bei der Ermittlung des Jahres-Primärenergiebedarfs ist nach Maßgabe des jeweils angewendeten Berechnungsverfahrens zu berücksichtigen... DIN V DIN H T Dabei bedeuten: H T H u L s H WB HT,FH U A i i H u L s H WB H T, FH Spezifischer Transmissionswärmeverlust in W/K Wärmeverluste über Flächen zu unbeheizten Räumen Wärmeverluste über erdberührte Bauteile Wärmeverlust infolge Zusätzliche Wärmeverluste über Bauteile mit Flächenheizungen Quelle: DIN Monatsbilanzverfahren - vereinfachtes Verfahren 23 24

7 Genaue Erfassung von Pauschaler zuschlag 1. Möglichkeit nach DIN Möglichkeit nach DIN H WB (l ) i i H WB U WB A Dabei bedeuten: H WB l Wärmeverlust infolge Längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient Länge der Wärmebrücke in W/(mK) Dabei bedeuten: U WB A Pauschaler zuschlag Gesamte wärmeübertragende Umfassungsfläche Pauschaler zuschlag Pauschaler zuschlag DIN V Vereinfachend ohne Nachweis: ΔU WB =0,1W/(m²K) wärmetechnisch vergleichbare Konstruktionen nach DIN 4108 Beiblatt 2: ΔU WB =0,05W/(m²K) Genauere Berechnung mit dem längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten ψ (ψ -Wert) EnEV 2009 und 2014 (Maßnahmen in Bestand) sind in dem Falle, dass mehr als 50 % mit einer innen liegenden Dämmschicht und einbindender Massivdecke versehen sind, durch Erhöhung der Wärmedurchgangskoeffizienten um ΔU WB =0,15W/(m² K) zu berücksichtigen. Anmerkung: Zuschlag auch in DIN V zu finden aber nicht in DIN V , KfW verweist bei Sanierung ebenfalls auf diesen Zuschlag 27 28

8 nach DIN Referenzausführung - Wohngebäude Der pauschale spezifische zuschlag auf den spezifischen Transmissionswärmeverlust H WB berücksichtigt bestimmte typen wie: Gebäudekanten; bei Fenstern und Türen: Laibungen (umlaufend); Wand- und Deckeneinbindungen; Deckenauflager; Wärmetechnisch entkoppelte Balkonplatten. Quelle: Bundesverband Kalksandstein DIN 4108 Beiblatt 2 DIN 4108 Beiblatt

9 DIN 4108 Beiblatt 2 DIN 4108 Beiblatt Gleichwertigkeit zu Beiblatt 2 Gleichwertigkeit zu Beiblatt 2 Eindeutige Zuordnung des konstruktiven Grundprinzips und Übereinstimmung der beschriebenen Bauteilabmessungen und Baustoffeigenschaften Bei abweichenden Wärmeleitfähigkeiten Nachweis der Gleichwertigkeit über Wärmedurchlasswiderstand Nachweis über berechnung nach DIN EN ISO und Randbedingungen Kapitel 7 DIN 4108 Bbl. 2 Verwendung von - Werten aus Veröffentlichungen oder Herstellernachweisen 35 36

10 Gleichwertigkeit zu Beiblatt 2 Vernachlässigung von Details Für die Halbierung des Pauschalen Zuschlags müssen alle Details gleichwertig sein! 1) Für Details, die in Beiblatt 2 nicht aufgeführt sind, kann kein Gleichwertigkeitsnachweis geführt werden Untergeordnete details mit geringem Einfluss auf die Energiebilanz können ggf. vernachlässigt werden 2) 1) Gilt nicht für die nach Beiblatt 2 ausgenommenen Details 2 ) Quelle: Volland et. al.:. Erkennen optimieren berechnen vermeiden. Rudolf Müller, Köln 2012 Außenwand/Außenwand (Außen- und Innenecke) Innenwand an durchlaufende Außenwand, Außenwand wird nicht durchstoßen Innenwand an Außenwand, durchlaufende Dämmschicht mit d 100 mm und = 0,4 W/(mK) Innenwand an untere und obere Geschossdecke, analog Innenwand an Außenwand Vernachlässigung von Details Vernachlässigung von Details Geschossdecke an Außenwand (zwischen beheizten Geschossen), durchlaufende Wärmedämmung mit R 2,5 m²k/w einzeln auftretende Türanschlüsse von Wohngebäuden (Haustür, Kellerabgangstür, Kelleraußentür, Türen zu unbeheiztem Dachraum) kleinflächige Querschnittsänderungen, z.b. Steckdosen, Leitungsschlitze außenluftberührte kleinflächige Bauteile wie z.b. Unterzüge und untere Anschlüsse von Erkern, außen liegende Dämmschicht mit R 2,5 m²k/w 39 40

11 Vorgehensweise Konstruktives Grundprinzip Detail vernachlässigbar? ja Verfahren auf alle Details anwenden nein Übereinstimmung der Konstruktion? nein Nachweis über Durchlasswiderstände? nein Nachweis über ψ-werte? ja ja ja ΔU WB = 0,05 W/(m²K) möglich 240 bis 375 0,21 60 bis 100 0,040 nein Nachweis der Gleichwertigkeit nicht möglich ΔU WB = 0,1 W/(m²K) Genauer Nachweis Gleichwertigkeit über Wärmedurchlasswiderstand Pauschaler Zuschlag genaue Berücksichtigung Forderung max. H T = 0,40 W/(m²K) U WB = 0,10 W/(m²K) U m = 0,40 0,10 = 0,30 W/(m²K) Anteil 25 % U WB = 0,05 W/(m²K) U m = 0,40 0,05= 0,35 W/(m²K) Anteil 12,5 % U WB = 0,01 W/(m²K) U m = 0,40 0,01= 0,39 W/(m²K) Anteil 2,5 % Beispiel Freistehendes Wohngebäude A N 350 m² 43 44

12 Genaue Erfassung von U-Wert einer Wand und Primärenergiebedarf Zusätzliche Dämmstoffdicke in cm 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 Berechnungsbeispiel Einfamilienhaus, Dämmstoff WLG 040 5,2 3,9 2,8 1,8 0,8 0,04 0,03 0,02 0,01 0 U WB Primärenergiebedarf in % Berechnungsbeispiel Einfamilienhaus 100% 98% 97% 95% 93% 92% Referenzgebäude Absenkung um 0,02 W/(mK) 0,28 0,26 0,24 0,22 0,20 0,18 U Wert in W/m²/K Verringerung des Primärenergiebedarfs Bauliche Einflüsse Berechnungsbeispiel Einfamilienhaus kwh/(m²a) Referenzausführung % Primärenergiebedarf in % Referenzgebäude Halbierung zuschlag Keine Zirkulation des Trinkwassers 84 Wärmepumpe Sole/Wasser 41 Pelletheizung 87 WB + Trinkwasserzirkulation Verbesserung des baulichen Wärmeschutzes U AW = 0,26 W/(m²K); U D = 0,18 W/(m²K); U W = 0,9 W/(m²K) Verschlechterung des baulichen Wärmeschutzes U AW = 0,30 W/(m²K); U D = 0,25 W/(m²K); U W = 1,40 W/(m²K) U WB = 0,00 W/(m²K) 76 U WB = 0,10 W/(m²K) 96 Gebäude nicht dichtheitsgeprüft, Luftwechselrate n = 0,7 h 1 92 Leichte Bauart % 108% 89% 111% 107% 103% Maßnahme zur Verringerung des Primärenergiebedarfs Berechnungsbeispiel 2 - Einfamilienhaus 47 48

13 Genaue Erfassung von Genaue Erfassung von Keine Überdimensionierung von Bauteilen/Bauteilschichten Optimierung von Kosten Flächengewinn Zukünftig Nachweise ggf. ohne exakte Betrachtung von nicht möglich Höhere Qualität der Anschlussdetails Anmerkung: Kataloge stoßen häufig an ihre Grenzen, so dass dann objektbezogen nachgewiesen werden müssen Energieeffizient Bauen (KfW) Energieeffizient Bauen (KfW) 51 52

14 Energieeffizient Bauen (KfW) Energieeffizient Sanieren (KfW) (3) Der Einfluss der ist zu berücksichtigen... Soweit dabei Gleichwertigkeitsnachweise zu führen wären, ist dies nicht erforderlich, (wenn) Bauteile kleinere Wärmedurchgangskoeffizienten aufweisen, als in DIN 4108 Beiblatt 2 zugrunde gelegt Quelle: EnEV (EnEV 2014 unverändert) Längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient Längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient L n 2D Ui li i 1 Dabei bedeuten: L 2D U L Längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient in W/(mK) Thermischer Leitwert aus 2D-Berechung in W/(mK) Wärmedurchgangskoeffizient in W/(m²K) Länge der Wärmebrücke 55 56

15 Längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient Entwicklung ψ-wert Negativer -Wert Quelle: Schild, K.; Willems, M.: Wärmeschutz, Springer Verlag, Entwicklung ψ-wert Anmerkungen zu -Werten Gut wärmegedämmte Regelquerschnitte und schlechte Detailausführung große Differenz zwischen den Wärmeverlusten der Wärmebrücke und des ungestörten Bauteilbereichs großer -Wert Gesamt-Wärmeverlust gering Quelle: Schild, K.; Willems, M.: Wärmeschutz, Springer Verlag,

16 Anmerkungen zu -Werten Anmerkungen zu -Werten Konstruktionen mit auch im Anschlussbereich weitergeführten Schlecht wärmegedämmte Regelquerschnitte Dämmschichten (keine Dämmlücke ) hohe Gesamt-Wärmeverluste Qualität der Detailausführung von untergeordneter Bedeutung i.d.r kleiner -Wert mit steigender Dicke der Dämmschicht sinken die Verluste im Regelquerschnitt und im Anschlussbereich der Gesamt-Wärmeverlust sinkt -Werte werden kleiner Anmerkungen zu -Werten Anmerkungen zu -Werten freies Konstruieren Negative -Werte Im Zusammenhang mit wärmebrückenfreien Konstruieren -Werte können auch negative Werte annehmen. Dies ist werden -Werte von 0,01 W/(mK) gefordert. Dies ist rechnerisch durch den Außenmaßbezug zu begründen. inhaltlich korrekt, sagt aber erst einmal nur aus, dass der Bereich der Wärmebrücke nicht energetisch schlechter ist als der Regelquerschnitt

17 katalog - Kalksandstein katalog - Porenbeton katalog - Ziegel katalog - Beton

18 katalog - Beton katalog - Beton katalog Schnittebenen (DIN EN ISO 10211) In einer Symmetrieebene falls diese weniger als d min vom zentralen Element entfernt ist Im Abstand von mindestens d min vom zentralen Element, falls keine nähere Symmetrieebene vorhanden ist d min ist mindestens 1 m oder das Dreifache der Dicke des flankierenden Bauteils 71 72

19 Schnittebenen (DIN EN ISO 10211) Schnittebenen (DIN EN ISO 10211) d 1 30 d min Regel: d min 1 m bzw. 3 d 1,00 Regel: d min 1 m bzw. 3 d 1,00 Zentrales Element d 2 Zentrales Element 25 d min d min 1) Für die Berechnung kann auf 110 aufgerundet werden 109,5 1) Skizze nicht maßstäblich! d 3 36, Schnittebenen (DIN EN ISO 10211) Beiblatt 2 - Schnittebenen Beiblatt 2 macht keine Angaben zu Schnittebenen Beiblatt 2 verweist für den Nachweis auf DIN EN ISO Ist eine weitere Wärmebrücke im Abstand kleiner d min vorhanden, so kann diese ignoriert werden 1) ggf. anhand der Isothermen prüfen, ob d min = 1 m bzw. 3 d ausreichend ist (sind Isothermen parallel zur Bauteilkante?) Erdberührte Bauteile können nach Beiblatt 2 vereinfacht erfasst werden 1) Dies gilt nur beim Gleichwertigkeitsnachweis nach Beiblatt 2, nicht für einen genauen Nachweis nach DIN EN ISO

20 Sollverluste Maßbezüge im Schnitt (DIN V ) Soll-Verluste ergeben sich aus der eindimensionalen Berechnung eines Details Bei der Modellierung von ist derselbe Maßbezug zu verwenden, wie beim energetischen Nachweis von Gebäuden Nach DIN EN ISO (2008) und DIN V (2011) ist das der Außenmaßbezug Maßbezüge im Schnitt (Beiblatt 2) Maßbezüge im Schnitt (Beiblatt 2) KG-Fundament Bodenplatte innengedämmt, Erdreichanschüttung größer 1 m KG-Fundament Bodenplatte außengedämmt, Erdreichanschüttung größer 1 m 79 80

21 Unterschiedliche Maßbezüge Weitere Unterschiede DIN EN ISO modelliert Erdreich mit, DIN 4108 Bbl. 2 schneidet Erdreich ab und verwendet Temperaturkorrekturfaktoren Quelle: Bundesverband Kalksandstein Unterschiedliche Berechnung der U-Werte: in DIN EN ISO wird der U-Wert erdberührter Bauteile nicht nach DIN EN ISO 6946 berechnet sondern nach DIN EN ISO Hier wird die Dämmwirkung des Erdreich beim U-Wert berücksichtigt Randbedingungen Beiblatt 2 genauer Nachweis Randbedingungen Beiblatt 2 genauer Nachweis Andererseits kann es erforderlich werden, alle Details eines Gebäudes bezüglich ihrer Gleichwertigkeit nachzuweisen, die Summe der nach Beiblatt 2 ermittelten längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten führt zum Gesamtverlust über. Teilt man diesen durch die wärmeübertragende Umfassungsfläche, so wird ein ΔU WB herauskommen, der unter Umständen unterhalb des nach DIN V /DIN V angebotenen Wertes liegt. Quelle: Handbuch PSI-Therm Wenn alle Details unter gleichen Randbedingungen ermittelt worden sind und der Gesamtverlust geringer ist als im Beiblatt 2 angegeben, so spricht nichts dagegen, den so ermittelten ΔU WB zu verwenden. Dementsprechend relativiert sich die Aussage nach Beiblatt 2 und eine detaillierte Ermittlung der Verlustwerte nach den Randbedingungen des Beiblatts 2 scheint möglich. Voraussetzung ist, und das ist nicht oft genug zu betonen, dass wirklich alle Details des Gebäudes berechnet worden sind aber das entspricht ja auch der Intention des detaillierten Nachweises. Quelle: Handbuch PSI-Therm 83 84

22 Randbedingungen Beiblatt 2 genauer Nachweis Randbedingungen Beiblatt 2 genauer Nachweis Speziell für erdberührte Bauteile weichen die Randbedingungen des Beiblatts 2 der 4108 von denen der DIN EN ISO teilweise ab. Diese Abweichungen führen unweigerlich zur Frage, ob die nach Beiblatt 2 ermittelten ψ-werte für eine detaillierte berechnung unabhängig vom Nachweis der Gleichwertigkeit angesetzt werden können. Vergleiche zwischen den verschiedenen Berechnungsansätzen zeigen, dass die Ergebnisse nach Beiblatt 2 stets auf der sicheren Seite gegenüber denen der ISO liegen. Quelle: Planungsaltlas für den Hochbau: Einleitung, Hintergrund, Literatur Autoren: Willems, Hellinger, Schild Temperaturrandbedingungen Verfahren zur Berechnung Parameter ohne Nachweis Pauschaler Nachweis mit Nachweis (Gleichwertigkeit nach DIN 4108, Bbl. 2) Detaillierter Nachweis nach DIN EN ISO mit Randbedingungen nach DIN 4108, Beiblatt 2, Abschnitt 7 nach DIN EN ISO zuschlag ΔU WB 0,10 W/(m²K) 0,15 W/(m²K) 0,05 W/(m²K) ΔU WB (W/m²K) ΔU WB (W/m²K) Anforderungen an das numerische Verfahren - - DIN EN ISO DIN EN ISO Modellbildung nach - - DIN 4108 Beiblatt 2 Erdreich über Korrekturfaktoren DIN EN ISO Erdreich modellieren U-Wert, nicht erdberührt - - DIN EN ISO 6946 DIN EN ISO 6946 U-Wert, erdberührt - - DIN EN ISO 6946 DIN EN ISO ) 1) Dämmwirkung Erdreich fließt in U-Wert ein Quelle: DIN 4108 Beiblatt

23 Vermeidung von Schimmelbildung Temperaturfaktor nach DIN Ecken von Außenbauteilen die den Mindestwärmeschutz nach DIN erfüllen, bedürfen keines gesonderten Nachweises Details die dem Beiblatt 2 der DIN 4108 entsprechen sind ausreichend wärmegedämmt Davon abweichende Konstruktionen müssen einen Temperaturfaktor f Rsi 0,7 aufweisen; das bedeutet eine raumseitige Oberflächentemperatur von si 12,6 C Dabei bedeuten: f Rsi Temperaturfaktor f Rsi si si Temperatur der Bauteilinnenoberfläche in C i Innenlufttemperatur in C e Außenlufttemperatur in C i e e Randbedingungen Temperaturfaktor DIN Quellen und Bildnachweise Innenlufttemperatur i =20 C Relative Luftfeuchte innen i = 50% Auf der sicheren Seite liegende kritische Luftfeuchte nach DIN EN ISO für Schimmelpilzbildung auf der Bauteiloberfläche = si 80% Außenlufttemperatur e =-5 C Wärmeübergangswiderstand, innen R si = 0,25 m²k/w R si = 0,17 m²k/w Wärmeübergangswiderstand, außen R se = 0,04 m²k/w EnEV 2009 und 2014 nichtamtliche Lesefassung Maas, A.; Hauser, G.: Energieeinsparverordnung Bundesverband Kalksandstein, Hannover 2009 Hochschulinformation Bundesverband Porenbeton: Foliensammlung für die Lehre, 2008 DIN 4108: Wärmeschutz und Energieeinsparung in Gebäuden. DIN 4108 Beiblatt 2: Wärmeschutz und Energieeinsparung in Gebäuden.. Planungs- und Ausführungsbeispiele, 2006 DIN V 18599: Energetische Bewertung von Gebäuden Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung DIN EN ISO 6946: Bauteile Wärmedurchlasswiderstand und Wärmedurchgangskoeffizient Berechnungsverfahren, DIN EN ISO 10211: im Hochbau Wärmeströme und Oberflächentemperaturen Detaillierte Berechnungen, Schoch, T.: EnEV 2009 Ein Jahr danach, Vortrag, 2010 Willems, M.; Schild, K.; Dinter, S.: Vieweg Handbuch der Bauphysik. Teil 1 Wärme- und Feuchteschutz, Behaglichkeit, Lüftung. Vieweg