Der Kalksandstein- Wärmebrückenkatalog

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1 61 Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.v. München M i t t e i l u n g e n Reihe IV: Wärmeschutz im Wohnungsbau Der Kalksandstein- Wärmebrückenkatalog Detaillierter Wärmebrückennachweis in zwei Stunden! Dipl.-Wirtsch.-Ing. Olga Pekrul Dr.-Ing. Martin Schäfers Dr.-Ing. Martin H. Spitzner Dipl.-Ing. Christoph Sprengard Sonderdruck aus: Mauerwerk 16 (2012), Heft 4, S

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3 Fachthemen Olga Pekrul Martin Schäfers Martin H. Spitzner Christoph Sprengard DOI: /dama Der Kalksandstein-Wärmebrückenkatalog Detaillierter Wärmebrückennachweis in zwei Stunden! Neben der im Zuge einer energetischen Gebäudebilanzierung heute häufig angewendeten pauschalen Berücksichtigung des Wärmebrückeneinflusses gemäß DIN 4108 Beiblatt 2 [1] auf der einen und einer detaillierten Quantifizierung mit einer numerischen Berechnung aller relevanten Wärmebrückendetails auf der anderen Seite, bietet die Erstellung eines detaillierten Wärmebrückennachweises unter Zuhilfenahme von Wärmebrückenkatalogen eine praxisgerechte und dennoch exakte Alternative. Auf die Möglichkeiten und Grenzen dieser Alternative geht der vorliegende Artikel anhand des Kalksandstein-Wärmebrückenkatalogs ein. Nach einem Überblick über die wesentlichen Grundlagen zu Wärmebrücken werden die einzelnen Schritte, welche im Rahmen eines detaillierten Wärmebrückennachweises mit dem Kalksandstein-Wärmebrückenkatalog erforderlich sind, erläutert. Diese Darstellung belegt, dass ein detaillierter Nachweis mit Hilfe des Katalogs für ein übliches Wohngebäude bereits mit einem Zeitaufwand von etwa zwei Stunden realisierbar ist. Abschließend widmet sich der Artikel weitergehenden Detailfragen, wie z. B. der Behandlung von Wärmebrücken am unteren Gebäudeabschluss. The 'Kalksandstein-Wärmebrückenkatalog' - Detailed numerical evaluation of thermal bridges within two hours! The analysis of the in fluence of thermal bridges of a building with the help of catalogue values is a likewise effective and accurate alternative to the frequently applied flat-rate procedure according to DIN 4108 Beiblatt 2 on the one hand and a detailed numerical evaluation of all thermal bridges on the other hand. The possibilities and limits of this procedure are presented within this article on the basis of the calcium silicate thermal bridge catalogue. After a brief summary about the basics of thermal bridges, the single steps which are required in the context of a detailed analysis of thermal bridges with the help of the "Kalksandstein-Wärmebrückenkatalog" are depicted. This presentation proves that, with the help of a catalogue, a detailed analysis for a typical one family house will not take more than two hours of time. Concluding, further questions of detail, like the handling of thermal bridges at the building's foundation are examined. 1 Einleitung Wärmebrücken sind Stellen in der Umhüllung eines Gebäudes, an denen bauart- oder materialbedingt ein örtlich veränderter Wärmedurchgang durch die Konstruktion vorliegt. Mit zunehmender Qualität der wärmetauschenden Hüllfläche eines Gebäudes nimmt der Anteil von Wärmebrücken am Transmissionswärmeverlust zu. Die heute häufig übliche pauschale Berücksichtigung von längenbezogenen Wärmebrücken durch Anwendung von DIN 4108 Beiblatt 2 (ΔU WB = 0,05 W/(m 2 K)) führt bei hochwertigen thermischen Hüllflächen eines Gebäudes dazu, dass der tatsächliche Anteil der Wärmebrücken am Transmissionswärmebedarf in der Regel stark überschätzt wird. Dies muss durch kostenintensive Maßnahmen an anderer Stelle (z. B. im Bereich der Anlagentechnik) kompensiert werden, um einen vereinbarten energetischen Gebäudestandard zu erreichen. In diesem Zusammenhang bietet der Kalksandstein-Wärmebrücken ka - talog die Möglichkeit, die Wärmebrückeneffekte im Rahmen eines energetischen Nachweises mit überschaubarem Aufwand detailliert zu berücksichtigen. Dies ist mit dem neuen Katalog erstmals auch für unterschiedliche Bilanzierungsverfahren (DIN V [2] DIN V [3] PHPP) in konsistenter Weise möglich. 2 Grundlagen 2.1 Charakterisierung von Wärme - brücken durch Ψ und f Rsi Der längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizienten Ψ gibt jenen Wärmedurchgang pro laufenden Meter Länge der Wärmebrücke und pro Kelvin Temperaturdifferenz an, der tatsächlich auftritt, aber nicht schon in der Hüllflächentabelle abgedeckt wird (und zwar dort durch die Produkte aus U-Wert mal Fläche der beiden Bauteile, die zwischen sich die Wärmebrücke bilden). Ψ wird mittels zweidimensionaler Finite-Differenzen- oder Finite- Elemente-Berechnungen bestimmt und stellt das Pendant zum U-Wert der Fläche dar. Zur Vermeidung von Schimmelpilzwachstum müssen alle linienförmigen Bauteilanschlüsse zwischen benachbarten Bauteilen an der ungünstigsten Stelle der Innenoberfläche nach DIN [4]eine normierte Temperaturdifferenz f Rsi 0,70 einhalten. Ist dieser Wert eingehalten, so ist sichergestellt, dass bei üblichen Bedingungen weder eine Kondensatbildung noch ein Schimmelpilzbefall an der Bauteiloberfläche auftritt. Bei üblichen Bedingungen heißt: bei ausreichender, gleichmäßiger Beheizung, ausreichender Lüftung der Räume, einer weitgehend ungehinderten Luftzirkulation an den Außenwandoberflächen (leichte Gardinen sind in Ordnung), unter Zugrundelegung üblicher Nutzung und unter den in DIN angegebenen Randbedingungen. Die entsprechende Forderung in Kapitel 6.2 der aktuellen Fassung der Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin Mauerwerk 16 (2012), Heft 4 3

4 DIN bezieht sich gemäß ausdrücklicher Feststellung des zuständigen DIN-Arbeitsausschusses auf die zweidimensionale Betrachtung, d. h. auf die ungünstigste Stelle im zweidimensionalen Schnitt durch die Kante, nicht jedoch auf Ecken. Für Ecken besteht derzeit keine zahlenmäßige Anforderung in der Norm! Es ist geplant, mit der Neuausgabe der DIN im Jahr 2012 (derzeit Entwurf) diese Regelungslücke zu schließen. Fenster und Fensterelemente sind für alle Stellen innerhalb ihrer Außenabmessungen von der Forderung f Rsi 0,70 ausgenommen, nicht jedoch die Einbaufuge zwischen Fenster bzw. Fensterelement und Baukörper. 2.2 Außen- und Innenmaßbezug; negative Ψ-Werte Der Außenmaßbezug führt bei den Außenkanten von Gebäuden dazu, dass die Außenoberfläche größer ist als die lichte Innenoberfläche. Dadurch sollte die Wärmebrückenwirkung der Kante in den Flächenmaßen mitberücksichtigt werden. Vor allem bei Gebäudekanten und Kanten zwischen gleichartigen, außen- oder kerngedämmten Bauteilen kann der Außenmaßbezug den Wärmebrückeneinfluss aber bereits ÜBERkompensieren. Die zweidimensionale Wärmebrückenberechnung liefert dann einen negativen Ψ-Wert, der das Überkompensieren wieder ausgleicht (Bild 1 und Tabelle 1). Damit ergibt sich in Summe wieder der korrekte Gesamtwärmedurchgang. Solche Wärmebrücken mit negativem Ψ helfen im detaillierten Wärmebrückennachweis, indem sie A Außenwand A Außenwand außen d AW A Außenwand A Außenwand innen Bild 1. Außenmaßbezug für eine Außenund eine Innenecke einer Außenwand mit Vormauerschale und Kerndämmung, aus [5] Fig. 1. Dimension reference for external and internal corner with faced brickwork and core insulation Tabelle 1. Werte für U und Ψ für eine Außen- und eine Innenecke einer Außenwand mit Vormauerschale und Kerndämmung (Beispiel); durch den Außenmaßbezug ergeben sich hier bei der Außenecke (links) negative Werte für Ψ; bei der Innenecke (rechts) ist Ψ immer positiv, aus [5] Table 1. U- and Ψ-values for an exterior and an interior corner of an exterior wall with faced brickwork and core insulation Außenecke Ψ [W/(m K)] den Wärmebrückenzuschlag reduzieren. Sie sollten dementsprechend mitberücksichtigt werden, auch wenn Wärmebrücken zwischen gleichartigen Bauteilen eigentlich vernachlässigt werden dürften. 3 Anwendung des Kalksandstein- Wärmebrückenkatalogs Schritt für Schritt In diesem Abschnitt werden die einzelnen Schritte erläutert, die zur Berechnung des detaillierten Wärmebrückenzuschlags notwendig sind. Zunächst ist die Länge der jeweiligen Wärmebrücke zu bestimmen. Berücksichtigt werden folgende Wärmebrücken: Gebäudekanten Fenster- und Türlaibungen Wand- und Deckeneinbindungen, Deckenauflager Balkonplattenanschlüsse sonstige Wärmebrücken durch angrenzende unbeheizte oder ungekühlte Räume Regelmäßig wiederkehrende punktförmige Wärmebrücken (z. B. Dübel, Anker, Konsolen), werden in den U- Wert der Fläche eingerechnet, sofern ihr Einfluss den U-Wert um mindestens 3 % erhöht. Der Kalksandstein-Wärmebrückenkatalog enthält alle wesentlichen Anschlussdetails, welche bei massiven Gebäuden aus Kalksandstein auftreten. Ein Wärmebrückenkatalog kann jedoch niemals alle in der Praxis auftretenden Anschlussausführungen, Material- und Dickenkombinationen enthalten. Bei geringfügigen Abweichungen (z. B. andere Wärmeleitfähigkeiten oder Schichtdicken) können die Katalogwerte aus Vereinfachungsgründen und mit einer ausreichenden Gesamtgenauigkeit häufig trotzdem verwendet werden. Genaueres hierzu findet d AW [cm] U [W/m 2 k] sich in den folgenden Abschnitten sowie direkt im Kalksandstein-Wärmebrückenkatalog [5]. Kann ein geplantes Detail keinem der im Kalksandstein- Wärmebrückenkatalog beschriebenen Details zugeordnet werden, können andere Wärmebrückenkataloge (z. B. von Herstellern von Bauteilkomponenten wie Rollladenkästen) herangezogen werden. Kann auch auf diesem Weg kein Ψ-Wert für das geplante Detail bestimmt werden, ist das geplante Detail zweidimensional zu berechnen. 3.1 Längenermittlung Innenecke Ψ [W/m K)] 0, ,27 0,077 0, ,20 0,062 0, ,16 0,053 Zur Ermittlung der Wärmebrückenlänge sind Pläne im Maßstab 1:100 ausreichend. Die herausgegriffenen Ma ße können auf 10-cm-Angaben gerundet werden. Die Begrenzungen der Wärmebrückenlängen sind gemäß DIN V zu wählen. Hierbei werden für horizontale Längen immer die Außenmaße der Bauteile (bei WDVS inklusive Putz, bei Kerndämmung inkl. Fingerspalt und Vormauerschale, bei vorgehängten Fassaden und Verkleidungen bis zur Hinterlüftungsebene) bestimmt. Dies zeigt exemplarisch die grafische Darstellung der Maßbezüge für eine Außenwand mit Vormauerschale und Kerndämmung in Bild 1. Die Längenermittlung in vertikaler Richtung erfolgt ab Oberkante der Rohdecke in allen Ebenen eines Gebäudes (d. h. bis zur Oberkante der Rohdecke des Stockwerks darüber), unabhängig von der Lage der Dämmschicht. Dies gilt auch für den unteren Gebäudeabschluss. Den oberen Gebäudeabschluss bildet die Oberkante der wärmetechnisch wirksamen Schicht [5] (näheres hierzu s. Abschnitt 4). Fensteröffnungen sind gemäß DIN aus dem lichten Rohbaumaß zu ermitteln. 4 Sonderdruck aus: Mauerwerk 16 (2012), Heft 4

5 Die anschließende Bestimmung der Ψ-Werte wird im folgenden Abschnitt erläutert. 3.2 Bestimmung des Ψ-Werts Zum Ablesen der passenden Ψ-Werte ist zunächst das Detail zu wählen, das der tatsächlichen Bauteilsituation entspricht. Der Kalksandstein-Wärmebrückenkatalog enthält Details zur Kelleraußenwand, zur einschaligen Au - ßenwand mit WDVS, zur zweischaligen Außenwand und zu Innenwandsowie Fensteranschlüssen. Wurde ein passendes Detail gefunden, ist Ψ in Abhängigkeit der Dämmstoffdicke der angrenzenden Bauteile abzulesen. Liegt die Dämmschichtdicke am geplanten Detail zwischen den im Katalog angegebenen Dicken, darf der Ψ-Wert durch lineares Interpolieren ermittelt werden. Schätzen ist dabei ausreichend. Im Zweifelsfall kann der höhere, ungünstigere Wert angenommen werden. Weicht die Wärmeleitfähigkeit der Dämmebene von der im Katalog angegebenen ab, kann der Katalog über eine Gleichwertigkeitsbetrachtung des Wärmedurchlasswiderstands R der betreffenden Dämmstoffschicht in der Regel dennoch angewendet werden: R p dp d = Rk = λ λ P (1) Dabei entspricht R P dem geplanten und R K dem im Katalog beschrie - benen Wärmedurchlasswiderstand. Durch Umstellen der Gleichung kann die aus dem Katalog zu wählende Dicke der Dämmschicht berechnet werden: dp dk = λ λ P K (2) Bei Fensterlaibungen hängt der längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizient Ψ bei gleichbleibender Einbaulage im Wesentlichen von der Rahmendicke d f in Wärmestromrichtung (von innen nach außen) ab. Ist diese nicht bekannt, kann der Ψ-Wert stattdessen über den U f -Wert des Rahmens ermittelt werden. Ist auch dieser unbekannt, ermöglicht die Faustformel (3) die Berechnung K K Bei der Terrassentürschwelle ist es genau umgekehrt: Hier hängt Ψ vor allem vom U f -Wert des Fensterrahmens ab; die Rahmendicke ist hier weniger wichtig. Für den Zusammenhang zwischen Rahmendicke und U f -Wert kann üblicherweise von der Zuordnung in Tabelle 2 ausgegangen werden. Die Länge der Laibungs-Wärmebrücken ist die Abwicklung der lichten Mauerwerksöffnung. Die in den Tabellen enthaltenen Ψ-Werte gelten für alle Dicken und Rohdichteklassen des KS-Mauerwerks [5]. 3.3 Berechnung von ΔU WB Zur Berechnung des detaillierten Wärmebrückenzuschlags ΔU WB werden die Längen der Wärmebrücken mit den entsprechenden Ψ-Werten multipliziert. Die Summe der Produkte ergibt den spezifischen Transmissionswärmeverlust der Wärmebrücken. Wird dieser spezifische Transmissionswärmeverlust auf die Hüllfläche A des Gebäudes bezogen, liefert das den detaillierten Wärmebrückenzuschlag (vgl. (4)). ΔU = ( l Ψ )/ A [ W/( m2k)] WB i i (4) Hierzu kann das Berechnungsblatt des Bundesverbands Kalksandsteinindustrie ev verwendet werden. Es sind die ermittelten Längen der Wärmebrücken und die längenbezogenen Wärme- Tabelle 2. Typische angenommene Zuordnung zwischen Rahmendicke und U f - Werten von Fensterrahmen, aus [5] Table 2. Typical correlation between frame-thickness and U f -values of window frames Rahmendicke 70 mm 80 mm 90 mm 120 mm Typische U f -Werte 1,4 oder größer 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 oder kleiner Tabelle 3. Einsparung beim Jahres-Heizenergiebedarf Table 3. Reduction of annual heating energy demand ΔU WB Wärmebrücken - korrekturwert [W/(m 2 K)] H T Spezifischer Transmissions - wärmeverlust [W/(m 2 K)] Q P Jahres-Primärenergiebedarf [kwh/(m 2 a)] durchgangskoeffizienten in die zugehörigen Felder einzutragen. Die Berechnung des detaillierten Wärmebrückenzuschlags erfolgt automatisch. Der so ermittelte ΔU WB -Wert ist anschließend in die energetische Bilanzrechnung anstelle des Pauschalwerts 0,05, 0,10 oder 0,15 W/(m 2 K) einzutragen. Die Vorteile der Verwendung des detaillierten Wärmebrückenzuschlags werden im folgenden Abschnitt aufgezeigt. Eine grafische Darstellung der einzelnen Schritte erfolgt in Bild Vorteil des detaillierten Nachweises gegenüber der Pauschalwertberechnung Die Verwendung des detailliert berechneten Wärmebrückenzuschlags ΔU WB zeigt sich in der energetischen Bilanzrechnung. Für ein Beispielgebäude, das im KS-Wärmebrückenkatalog dargestellt ist, erfolgt ein Vergleich des resultierenden spezifischen Transmissionswärmeverlusts H T, des Primärenergiebedarfs Q P und des Jahres- Heizenergiebedarfs Q E für pauschalen Ansatz von ΔU WB = 0,10 W/(m 2 K) bzw. 0,05 W/(m 2 K) und detaillierter ΔU WB -Berechnung. Wird statt des pauschalen Wärmebrückenzuschlags von 0,10 W/(m 2 K) der detaillierte Zuschlag in Höhe von 0,017 W/(m 2 K) verwendet, ergibt sich eine Verbesserung des Primärenergiebedarfs von nahezu 18 % (vgl. Tabelle 3). Gegenüber der Verwendung des reduzierten Q E Jahres-Heizenergiebedarf [kwh/(m 2 a)] Einsparung [%] 0,100 0,37 72,0 60,6 0,050 0,32 64,3 53,6 12 0,017 0,29 59,3 49,0 19 U U + 04, [ W/( m2k)] f w (3) 0,000 0,27 56,8 46,7 23 Sonderdruck aus: Mauerwerk 16 (2012), Heft 4 5

6 Länge der Wärmebrücke bestimmen Schritt 1: Schritt 2: Passendes Detail im Kalksandstein Wärmebrückenkatalog suchen Schritt 3: -Wert in Abhängigkeit der Dämmdicke Dämmstärke bestimmen Dicke der Außenwanddämmung d AW [cm] Pauschalwerts von 0,05 W/(m 2 K) ergibt sich eine Reduzierung von etwa 11 % des Primärenergiebedarfs. Der reduzierte Pauschalwert darf angesetzt werden, wenn alle Wärmebrücken dem Beiblatt 2 der DIN 4108 [1] entspre- Rahmendicke d f 70 mm 80 mm 90 mm 120 mm entsprich typischem U f -Wert [W/(m 2 K)] 1,4 oder größer 1,3 1,2 1,1 1,0 0,0 oder kleiner 10 0,000 0,000 0, ,002 0,001 0,001 0, ,004 0,004 0,003 0, ,008 0,008 0,007 0, ,012 0,011 0,010 0,008 Schritt 5: Längen und -Werte in Berechnungsblatt eintragen, U WB wird automatisch berechnet U WB U WB in energetische Bilanz eintragen Schritt 4: Schritte 1-3 für alle relevanten Wärmebrücken Bild 2. Darstellung der einzelnen Schritte bei der Verwendung des Kalksandstein- Wärmebrückenkatalogs Fig. 2. Required steps for detailed analysis of ΔU WB with the aid of calcium silicate thermal bridge catalogue chen. Die Details im Kalksandstein- Wärmebrückenkatalog sind alle gleichwertig zum Beiblatt 2 der DIN 4108 und in der Regel sogar besser. Zur Vermeidung einer Überschätzung von Wärmebrücken bei gut gedämmten Neubauten durch pauschalierte Ansätze ist zu empfehlen, die detaillierte Berechnung des Wärmebrückenzuschlags durchzuführen, da der Planer bei Ansatz des reduzierten Pauschalwerts verbindlich erklärt, dass die Wärmebrücken dem Beiblatt 2 entsprechen. Hierzu muss im Rahmen einer vollständigen Dokumentation nachgewiesen werden, dass alle geplanten Details DIN 4108 Beiblatt 2 entsprechen. Für Anschlussdetails, die von den Konstruktionsprinzipien der in DIN 4108 Beiblatt 2 angegebenen Details abweichen, ist grundsätzlich ein Gleichwertigkeitsnachweis durchzuführen. Demgegenüber sind das Nachschlagen der entsprechenden Ψ- Werte im Kalksandstein-Wärmebrückenkatalog und die Berechnung des detaillierten ΔU WB -Werts nur mit einem geringen Mehraufwand verbunden. Dieser nimmt außerdem mit zunehmender Projektanzahl ab. Weiterhin setzt sich der haftende Planer intensiv mit jeder Wärmebrücke auseinander, wodurch das Fehlerpotenzial eines pauschalen Ansatzes des reduzierten Wärmebrückenzuschlags ohne genaue Überprüfung minimiert werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass der detaillierte Wärmebrückenzuschlag ermöglicht, ein anvisiertes Anforderungsniveau (z. B. EnEV oder KfW-Stufen) zu erreichen, ohne unverhältnismäßig hohe Aufwendungen an anderer Stelle (z. B. bei der Anlagentechnik) erbringen zu müssen, da die rechnerischen Transmissionswärmeverluste hierdurch gering gehalten werden. Spätestens bei einem energetischen Gebäudestandard, der der KfW- Effizienzstufe 55 oder besser entspricht, ist ein detaillierter Wärmebrückennachweis ohnehin unerlässlich. Eine grafische Darstellung des reduzierten Wärmebrückeneinflusses auf den Transmissionswärmeverlust durch Ansatz des detaillierten Wärmebrückenzuschlags für das im Kalksandstein-Wärmebrückenkatalog betrachtete Beispielgebäude liefert Bild 3. 4 Detailfragen 4.1 Berücksichtigung von Wärme - brücken am unteren Gebäude - abschluss Der Wärmeverlust eines beheizten Kellers an das umliegende Erdreich stellt einen viel komplexeren Vorgang dar 6 Sonderdruck aus: Mauerwerk 16 (2012), Heft 4

7 Wärmebrücken; 22,7 DIN V 18599, DIN V und das Passivhaus-Projektierungspaket (PHPP) des Passivhaus-Instituts verwenden im Grundriss identische horizontale Flächenbezüge, allerdings gibt es bei den vertikalen Flächenbezügen im Gebäudeschnitt Unterschiede. Dadurch ändern sich die Bauteilflächen in der Hüllflächentabelle und die Längen der Wärmebrücken zwischen diesen Bauteilen, und in der Folge die Ψ-Werte dieser Wärmebrücken. DIN V gibt für die vertikalen Bezugsmaße grundsätzlich die Regel von Oberkante Rohdecke bis Oberkante Rohdecke vor (außer beim Dach). DIN V definiert überhaupt keine Bezugsebenen, es wird jedoch traditionellerweise immer mindestens bis zur Außenkante der Wärmedämmung gemessen. Je nach Lage der Dämmschicht in Decke bzw. Boden ändert sich so die relevante Höhe, und damit die Größe der aufgehenden Wand und die Länge der vertikalen Wärmebrücken. Bei Berechnungen nach dem Passivhaus-Projektierungspaket ist dies ähnlich; hier wird üblicherweise die Stockwerkshöhe nach unten bis zur Unterkante der untersten gedämmten Betondecke abgemes- Kelleraußenwand; 15,0 Kellersohle; 9,4 Geschossdecke, oben; 8,9 Dachflächen; 6,8 Wärmebrücken; 7,7 Kelleraußenwand; 15,0 Kellersohle; 9,4 Geschossdecke, oben; 8,9 Dachflächen; 6,8 Haustür; 6,9 Haustür; 6,9 Außenwände, luftberührt; 30,1 Fenster/Fenstertüren; 46,1 Außenwände, luftberührt; 30,1 Fenster/Fenstertüren; 46,1 pauschaler verminderter Wärmebrückenzuschlag: Transmissionswärmeverluste (Summe H T = 145,8 [W/K]) bei U WB = 0,05 [W/(m² K)] Wärmebrückenanteil = 16 % individueller Wärmebrückenzuschlag: Transmissionswärmeverluste (Summe H T = 130,8 [W/K]) bei U WB,vorh = 0,017 [W/(m 2 K)] Wärmebrückenanteil = 6 % Bild 3. Einfluss des detaillierten Nachweises der Wärmebrücke auf den Transmissionswärmeverlust (hier für das Beispielgebäude aus [5]) Fig. 3. Influence of detailed analysis of thermal bridges on the transmission heat transfer coefficient (for sample building from [5]) 4.2 Verfahrensunterschiede bei Wärmebrücken am unteren Gebäudeabschluss Für den Wärmetransfer durch Bauteile gegen Erdreich und unbeheizte Keller existieren verschiedene Varianten bzw. Verfahrensunterschiede bei der Berücksichtigung im Gesamtenergiebedarf des Gebäudes. Je nachdem, welche Variante gewählt wird, hat dies auch entsprechende Konsequenzen für die Ψ-Werte von Wärmebrücken in diesen Bauteilen. Bei Bauteilen gegen Außenluft gibt es solche Unklarheiten nicht; ihre Behandlung ist eindeutig, bei allen Bilanzierungsverfahren gleich und seit Jahren unverändert. Die Verfahrensunterschiede für Bauteile und Wärmebrücken des unteren Gebäudeabschlusses betreffen vor allem die Bezugsmaße, die Berücksichtigung der Dämmwirkung des vorgelagerten Erdreichs und der Kellergeometrie, die Modellgröße und Oberflächenrandbedingungen für die numerische Berechnung Auswirkung unterschiedlicher Bezugsmaße als der Wärmeverlust der übrigen Außenbauteile eines Gebäudes an die Außenluft. Die Wärmeverluste hängen ab von der Beschaffenheit des Erdreichs (bindiger bzw. nichtbindiger Boden), dem Wärmeschutz der Außenbauteile, der Höhe der äußeren Anschüttung, der Grundwassertiefe, der Kellertemperatur und den Abmessungen des Kellers. Für die tägliche Praxis hat sich das vereinfachte Verfahren mit Temperaturkorrekturfaktoren F x durchgesetzt, wie es in DIN V und DIN V enthalten ist. Dabei wird der U-Wert des erdberührten Bauteils analog zu DIN EN ISO 6946 [6] aus dessen Schichtenfolge bestimmt, unter Vernachlässigung des Erdreichs (dann konstruktiver U- Wert genannt). Der äußere Wärmeübergangswiderstand ist Null, da direkter Kontakt zum Erdreich besteht; auf der Innenseite kommen die bekannten Wärmeübergangswiderstände der Norm zum Tragen. Der Wärmetransport durch das Bauteil wird erst in der energetischen Bilanzierung auf Gebäudeebene mittels tabellierter Faktoren F x auf die äquivalente durchschnittliche Temperaturdifferenz korrigiert. Die Geometrie des beheizten Kellerbereichs geht über das charakteristische Bodenmaß B (Verhältnis aus beheizter Kellerbodenfläche und Umfang dieser Fläche) ein. Ebenfalls wird vereinfachend für verschiedene Dämmsituationen unterschieden. Das heißt, die F x -Werte sollen näherungsweise die tatsächliche Situation und die Dämmwirkung des vorgelagerten Erdreichs abbilden. Vereinfachend darf nach DIN V für alle Bauteile des unteren Gebäudeabschlusses ein Wert von 0,7 verwendet werden. Diese vereinfachte Vorgehensweise ist für die Berechnung des Winterfalls ausreichend genau. Die F x - Werte sind aber generell nicht zutreffend und damit nicht anwendbar, wenn der sommerliche Wärmeschutz berechnet werden soll, d. h. bei gekühlten Gebäuden. Dementsprechend dürfen konstruktive U-Werte und F x -Faktoren nur bei nur-geheizten Zonen bzw. Gebäuden verwendet werden; bei gekühlten Zonen bzw. Gebäuden sind die U- Werte der erdberührten Bauteile nach DIN EN ISO [7] (inklusive Erdkörper) zu berechnen; die F x -Werte sind dann obsolet und dürfen für solche Bauteile nicht verwendet werden (d. h. F x muss zu 1 gesetzt werden). Sonderdruck aus: Mauerwerk 16 (2012), Heft 4 7

8 Bild 4. Unterschied liche Flächenbezüge am unteren Gebäudeabschluss bei verschiedenen Bilanzierungsverfahren führen zu unterschiedlichen Ψ-Werten für eine identische Wärmebrücke Fig. 4. Different dimensional limits at the bottom of a build ing in different balance methods lead to different Ψ-values sen, bei Wärmedämmung unter der Decke bis zur Unterkante der Wärmedämmung. Der Gesamtwärmeverlust aus der numerischen Wärmebrückenberechnung ist in allen drei Fällen natürlich identisch. Die Wärmeverluste werden aber unterschiedlich zwischen der Wärmebrücke und den beiden angrenzenden Bauteilen aufgeteilt: Je kleiner die Wandflächen angesetzt werden, umso größer wird der Zahlenwert für Ψ ohne dass die Wärmebrücke schlechter geworden wäre. Die gleiche Wärmebrücke sieht je nach Flächenkonvention damit sehr unterschiedlich aus. Ψ-Werte für den unteren Gebäudeabschluss nach unterschiedlichen Bezugsmaßen sind somit nicht vergleichbar. Weil die Festlegungen der DIN V die kleinsten Flächenabmessungen der drei Verfahren liefert, ergeben sich hier die höchsten Ψ-Werte (und die Hüllflächen sehen am besten aus). Dies ist in Bild 4 beispielhaft dargestellt Auswirkung von Modellgröße und Randbedingungen Bei numerischen Berechnungen erdberührter Bauteile wird nach DIN EN ISO [8] ein großer Ausschnitt des Erdreichs mit modelliert. Im Gegensatz dazu schneidet DIN 4108 Beiblatt 2 Tabelle 7 das Erdreich ab und verwendet Temperaturkorrektur- faktoren F x an der Außenseite der eigentlich erdberührten Bauteile, um die thermische Erdreichsituation anzunähern, analog zu den F x -Faktoren der DIN V und der DIN V Je nach Modellgröße und Randbedingungen ergeben sich dadurch unterschiedliche Werte für Ψ. Allerdings gelten die Modellfestlegungen in DIN 4108 Beiblatt 2 Tabelle 7 nur für den rechnerischen Gleichwertigkeitsnachweis; für die detaillierte Wärmebrückenberücksichtigung sind die Modellabmessungen und Randbedingungen nach DIN EN ISO zu verwenden. Das bedeutet, dass Ψ-Werte aus einem Modell nach DIN EN ISO nicht mit den Referenzwerten des Beiblatts 2 verglichen werden können. Für die praktische Anwendung des Kalksandstein-Wärmebrückenkatalogs dürfte dies weniger wichtig sein für einen detaillierten Wärmebrückennachweis ist die Frage der Gleichwertigkeit zu DIN 4108 Beiblatt 2 ohnehin irrelevant Auswirkung auf den Kalksandstein-Wärmebrückenkatalog Für den Kalksandstein-Wärmebrückenkatalog werden die U-Werte erdberührter Bauteile nach DIN EN ISO 13370, die Modellbildung nach DIN EN ISO und die Bezugsmaße nach DIN V herangezogen. Zusammengenommen führt dies dazu, dass die Ψ-Werte erdberührter Wärmebrücken im Kalksandstein- Wärmebrückenkatalog bei gleicher oder besserer Wärmebrückenausführung tendenziell größer sind als in anderen Wärmebrückenkatalogen, die nicht nach den genannten aktuellen Normen gerechnet sind. Dies gilt auch für den Vergleich mit den Referenzwerten von DIN 4108 Beiblatt 2 für erdberührte Wärmebrücken, die ebenfalls nicht nach den genannten Normen gerechnet sind. Von daher können Ψ-Werte aus dem Kalksandstein-Wärmebrückenkatalog größer sein als der entsprechende Referenzwert in DIN 4108 Beiblatt 2 trotzdem ist das Detail im Kalksandstein- Wärmebrückenkatalog gleichwertig bzw. besser als die Beispiellösung des Beiblatts. Aufgrund der Bezugsmaße nach DIN V liegen die Ψ- Werte im Kalksandstein-Wärmebrückenkatalog auf der sicheren Seite. Sie können für Bilanzierungen nach DIN V , DIN V und PHPP verwendet werden. Dabei werden die Wärmeverluste am unteren Gebäudeabschluss leicht überschätzt; der Effekt liegt in aller Regel unter 1 % des Gesamt-Transmissionswärmetransfers. Der pauschale Wärmebrückenzuschlag mit 0,05 bzw. 0,10 bzw. 0,15 W/(m 2 K) Hüllfläche ist ebenfalls weiterhin zutreffend, unabhängig von den verwendeten Bezugsmaßen. 8 Sonderdruck aus: Mauerwerk 16 (2012), Heft 4

9 4.2.4 Auswirkung unterschiedlich bestimmter Wärmedurchgangs - koeffizienten Zusätzlich zur unterschiedlichen Modellgröße werden bei einer Berechnung nach DIN EN ISO auch die U-Werte der erdberührten Bauteile nicht als konstruktive U-Werte bestimmt, sondern unter Berücksichtigung des Erdkörpers und der Gebäudegeometrie nach DIN EN ISO U-Werte nach DIN EN ISO beinhalten die Dämmwirkung des vorgelagerten Erdreichs. Sie sind kleiner als die U-Werte erdberührter Bauteile nach DIN EN ISO 6946, die die Dämmwirkung des Erdreichs nicht enthalten, und bei denen der Einfluss des Erdreichs und der Geometrie erst in der Energiebilanz über die F x -Werte erfolgt. Umgekehrt dürfen U-Werte nach DIN EN ISO und Ψ-Werte nach DIN EN ISO und DIN EN ISO im EnEV-Nachweis nicht mit den Temperaturkorrekturfaktoren F x multipliziert werden, weil die Wirkung des Erdreichs sonst zweimal berücksichtigt würde Mischen zwischen U-Werten mit und ohne Berücksichtigung des Erdkörpers Bei der Bilanzierung dürfen die U- Werte der Bodenplatte oder anderer erdberührter Bauteile wahlweise nach DIN EN ISO 6946 oder nach DIN EN ISO berechnet und in die Bilanzierung übernommen werden. Es gibt auch keine formale Anforderung, dies für alle erdberührten Bauteile jeweils gleich vorzunehmen. Das Mischen ist auch dahingehend statthaft, dass erdberührte Bauteile des geplanten Gebäudes nach DIN EN ISO gerechnet werden und das Referenzgebäude mit den tabellierten Referenzwerten der EnEV bilanziert wird (welche für erdberührte Bauteile konstruktive U-Werte nach DIN EN ISO 6946 sind). Wichtig: Bauteile mit U-Werten nach DIN EN ISO dürfen keine Temperaturkorrekturfaktoren F x bzw. F G erhalten, d. h. F x muss zu 1 gesetzt werden für diese Bauteile! Und: U-Werte nach DIN EN ISO dürfen nicht mit zahlenmäßigen Mindestanforderungen an diese Bauteile nach EnEV (z. B. Anlage 1, 2 oder 3) oder DIN verglichen werden, weil letztere ja konstruktive U-Werte sind. 4.3 Einfluss von mechanischen Befestigungselementen Werden bauteilspezifische mechanische Befestigungselemente verwendet, ist nach DIN EN ISO 6946 eine Korrektur des U-Werts erforderlich und geschuldet(!), wenn alle Befestigungselemente zusammen den Wärmedurchgangskoeffizienten U um mehr als 3 % erhöhen. Vor allem bei gut gedämmten Konstruktionen kann dies bereits ab einer geringen Befestigeranzahl pro Quadratmeter der Fall sein; siehe z. B. [9]. Bauteilspezifische Befestigungselemente stellen überwiegend punktförmige Wärmebrücken dar, z. B. Anker, Konsolen (und Schienen, als linienförmige Wärmebrücken) bei vorgehängten hinterlüfteten Fassaden (VHF); hier können, je nach Art der Fassade und Ausbildung der Befestigungsteile, bereits wenige Befestigungselemente pro Quadratmeter eine Erhöhung des U-Werts um 0,1 bis 0,2 W/(m 2 K) oder mehr zur Folge haben! Mauerwerksanker zwischen Mauerwerksschalen, wobei Mauerwerksanker, die eine leere Luftschicht überbrücken, sowie Mauerwerksanker zwischen einer Mauerwerkschale und einem Holzständer vernachlässigt werden dürfen. Dübel in Wärmedämm-Verbundsystemen. Ein ausschließlich geklebtes Wärmedämm-Verbundsystem, wie es üblicherweise auf Kalksandstein- Mauerwerk ausgeführt wird, weist keine punktförmigen Wärmebrücken auf. Bei gedübelten Wärmedämm-Verbundsystemen sind der eingestufte, punktbezogene Wärmedurchgangskoeffizient des Dübels sowie die mittlere Dübeldichte gemäß Dübel- bzw. WDVS-Zulassung zur Korrektur heranzuziehen. Dübel mit einem Einstufungswert χ = 0,000 dürfen generell vernachlässigt werden. Die Luftschicht (Fingerspalt bzw. Hinterlüftungsebene) zählt nicht zur Dicke der Dämmschicht hinzu. Vereinzelt auftretende Befestiger (z. B. Vordachoder Balkonabhängung, Markisenbefestigung etc.) dürfen vernachlässigt werden. 5 Fazit Der Kalksandstein-Wärmebrückenkatalog gibt dem Fachplaner die Möglichkeit, mit überschaubarem Aufwand einen detaillierten Wärmebrückennachweis zu führen und hiermit einen deutlichen Mehrwert für seine Kunden zu generieren. Im ersten Teil des Wärmebrückenkatalogs wird der Anwender mit Hilfe einer Erläuterung der einzelnen Arbeitsschritte und anhand eines Berechnungsbeispiels an die Systematik des detaillierten Wärmebrückennachweises heran geführt. Der Katalogteil im zweiten Teil des Kalksandstein-Wärmebrückenkatalogs bildet Anschlussdetails in Kalksandstein-Bauweise ab, welche das Spektrum von der derzeit noch gültigen EnEV 2009 bis hin zum Passivbzw. Plusenergiehaus abdecken. Die Anschlussdetails wurden auch hinsichtlich weiterer Anforderungskriterien (z. B. Lastabtrag, Abdichtung, Schallschutz etc.) konzipiert und sind in der beiliegenden Detailsammlung [10] als Leitdetails dokumentiert. Der detaillierte Wärmebrückennachweis ist mit dem Kalksandstein-Wärmebrückenkatalog bereits jetzt nach den voraussichtlich in der EnEV 2012 vorgeschriebenen Maßbezügen nach DIN V [3] möglich. Eine Anwendbarkeit im Rahmen des Passivhaus-Projektierungspaktes (PHPP [11]) ist ebenso in konsistenter Weise möglich. Mit dem Kalksandstein-Wärmebrückenkatalog hat der Fachplaner daher ein Planungswerkzeug an der Hand, welches bereits heute den Anforderungen der Zukunft gerecht wird. Literatur [1] DIN 4108 Beiblatt 2: : Wärmeschutz und Energieeinsparung in Gebäuden Wärmebrücken Planungsund Ausführungsbeispiele. [2] DIN V : : Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden, Teil 6: Berechnung des Jahresheizwär - me- und des Jahresheizenergiebedarfs. [3] DIN V : : Vornorm: Energetische Bewertung von Gebäuden Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung, Teil 1: Allgemeine Bilanzierungsverfahren, Begriffe, Zonierung und Bewertung der Energieträger. [4] DIN : : Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden, Sonderdruck aus: Mauerwerk 16 (2012), Heft 4 9

10 Teil 2: Mindestanforderungen an den Wärmeschutz. [5] Spitzner, M. H., Sprengard, C., Simon, H.: Kalksandstein-Wärmebrückenkatalog. Hrsg.: Bundesverband Kalksandsteinindustrie e.v., Hannover, [6] DIN EN ISO 6946: : Bauteile Wärmedurchlasswiderstand und Wärmedurchgangskoeffizient Berechnungsverfahren, [7] DIN EN ISO 13370: : Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden Wärmeübertragung über das Erdreich Berechnungsverfahren, [8] DIN EN ISO 10211: : Wärmebrücken im Hochbau Wärmeströme und Oberflächentemperaturen Detaillierte Berechnungen, [9] Spitzner, M. H., Sprengard, C.: Planung, Konstruktion, Ausführung, Kapitel 12 Wärmeschutz. Hrsg.: Bundesverband Kalksandsteinindustrie e.v., Hannover, [10] Detailsammlung. Hrsg.: Bundesverband Kalksandsteinindustrie e.v., Hannover, [11] Passivhaus-Projektierungspaket. Passivhaus-Institut Darmstadt. Autoren dieses Beitrages: Dipl.-Wirtsch.-Ing. Olga Pekrul, Dr.-Ing. Martin Schäfers Abteilungsleiter Bauanwendung Forschungsvereinigung Kalk-Sand ev Entenfangweg 15, Hannover Dr.-Ing. Martin H. Spitzner Dipl.-Ing. Christoph Sprengard Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.v. München Lochhamer Schlag 4, Gräfelfing Überblick Der Kalksandstein-Wärmebrückenkatalog bietet für aktuelle, Kalksandsteintypische Bauteilanschlüsse mit gutem bis sehr gutem Wärmeschutzniveau: eine fachliche Einführung in die Wärmebrückenthematik eine Schritt-für-Schritt-Anleitung für den detaillierten Wärmebrückennachweis ein ausgearbeitetes und kommentiertes Beispiel eines detaillierten Wärmebrückennachweises Hinweise zu speziellen, wärmebrücken-relevanten Fragestellungen eine Dokumentation des Gültigkeitsbereichs der Katalogwerte sowie eine Liste aller gemachten Annahmen und Parameter für 58 Bauteilanschlüsse vom Keller bis zum Dach: Prinzipskizze Ψ-Wert-Tabelle (in der Regel als Matrix für je vier Dämmdicken der angrenzenden Bauteile und/oder zwei Wärmeleitfähigkeitsstufen) Einhaltung der f Rsi -Anforderung der DIN für alle Details Ausführungshinweise architektengerechtes Ausführungsbeispiel des jeweiligen Bauteilanschlusses aus der Kalksandstein-Detailsammlung. Die Ψ-Werte des KS-Wärmebrückenkatalogs sind geeignet für Bilanzierungen nach DIN V DIN V und DIN V PHPP können anstelle der in Abschnitt der DIN V verwiesenen Ψ-Werte verwendet werden sind gleichwertig zu den in DIN 4108 Beiblatt 2 angegebenen Konstruktionsdetails, meist sogar deutlich besser entsprechen der neuesten Fassung des Normenwerks: die U-Werte erdberührter Bauteile wurden nach DIN EN ISO berechnet; die Modellbildung erfolgte nach DIN EN ISO 10211; die Bezugsmaße wurden nach DIN V festgelegt können verwendet werden, wenn die Bauteilflächen nach den Bezugsmaßen der DIN V , der DIN V oder des PHPP bestimmt wurden dürfen nicht mit F x -Werten beaufschlagt werden (F x = 1 für alle Ψ-Werte aus dem Katalog); dies gilt auch dann, wenn für die flächigen Bauteile, die zwischen sich die Wärmebrücke bilden, F x -Werte ungleich 1 verwendet werden. 10 Sonderdruck aus: Mauerwerk 16 (2012), Heft 4

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12 Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.v. München Lochhamer Schlag 4 D Gräfelfing Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) info@fiw-muenchen.de Bauaufsichtlich anerkante Prüf-, Überwachungs- und Zertifizierungsstelle