Wärmebrückenberechnung zur Zertifizierung des Fensterrahmens energeto 8000 foam inside als Passivhaus geeignete Komponente

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1 PASSIV HAUS INSTITUT Dr. Wolfgang Feist Wärmebrückenberechnung zur Zertifizierung des Fensterrahmens energeto 8000 foam inside als Passivhaus geeignete Komponente im Auftrag der Firma aluplast GmbH Auf der Breit Karlsruhe PASSIVHAUS INSTITUT Rheinstr. 44/46 D Darmstadt Tel: Fax: Bericht März 2011 Autor: Esther Gollwitzer

2 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens Seite 2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Vorgaben zur Wärmebrückenberechnung Fensterrahmen Modellbildung für den Randverbund Zertifizierte Rahmenkonstruktion Ergebnisse der Wärmestromberechnungen Berechnungsergebnisse im Überblick Fenster-U-Werte für verschiedene Formate Einbausituationen Abschließende Bewertung Anhang: Konstruktionszeichnungen... 16

3 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens Seite 3 1. Einleitung Passivhäuser stellen aufgrund der Möglichkeit, auf ein separates Heizsystem zu verzichten, hohe Anforderungen an die Qualität der verwendeten Bauteile. Sieht man keine gezielte Heizwärmezufuhr unter den Fenstern vor, darf der Wärmedurchgangskoeffizient der verwendeten Fenster (Fenster-U-Wert) U w nicht größer als 0,80 W/(m²K) sein, damit es nicht zu störendem Strahlungswärmeentzug und Kaltluftabfall am Fenster kommt. Daraus ergeben sich bei gegebener Verglasungsqualität Grenzen für den Wärmebrückenverlustkoeffizienten im Bereich des Fensterrahmens. Vom PHI wurden folgende Anforderungen für das Zertifikat "Passivhaus geeignete Komponente - Fensterrahmen" festgesetzt: U w 0,80 W/(m²K) U w ist der mittlerer Wärmedurchgangskoeffizient für das gesamte Fenster bei Verwendung einer Verglasung mit U g = 0,70 W/(m²K). Dabei beträgt die Größe des Fensters 1,23 m x 1,48 m. U w,eingebaut 0,85 W/(m²K) U w,eingebaut ist der Fenster-U-Wert für ein eingebautes Fenster (Größe: 1,23 m x 1,48 m). Dieses Kriterium muss für folgende Einbauvarianten eingehalten werden: Einbau in eine Passivhaus geeignete Massivwand mit Wärmedämmverbundsystem (WDVS), in eine Passivhaus geeignete Holzbauwand und in eine Passivhaus geeignete Wand aus Betonschalungssteinen. Im Auftrag der Firma aluplast GmbH in Karlsruhe hat das Passivhaus Institut für einen wärmegedämmten Fensterrahmen mit dem Produktnamen energeto 8000 foam inside die thermischen Kennwerte für ein Fenster (Standardmaß: 1,23 m 1,48 m) auf der Grundlage der DIN EN berechnet. Dieser Rahmen ersetzt den bereits zertifizierten Rahmen mit gleichem Namen. Der Fensterrahmen besteht aus Kunststoffprofilen mit teilweise gedämmten Hohlräumen. Die Armierung besteht aus Polyamid. Es kommt der Abstandhalter Swisspacer V zum Einsatz, für den im Berechnungsmodell eine thermisch gleichwertige Ersatzkonstruktion angesetzt wurde. Die Berechnungen wurden mit dem Wärmestromprogramm Bisco (9.0) der Firma Physibel, Belgien, durchgeführt. Der vorliegende Bericht dokumentiert die Ergebnisse.

4 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens Seite 4 2. Vorgaben zur Wärmebrückenberechnung Fensterrahmen In der folgenden Tabelle sind die in der Berechnung verwendeten Materialien mit ihren Wärmeleitfähigkeiten und der für die Darstellung gewählten Farbe aufgelistet. Quellen für die Wärmeleitfähigkeiten sind Firmenangaben bzw. einschlägige Normen. Die äquivalente Wärmeleitfähigkeit von Hohlräumen wurde gemäß DIN EN ermittelt. Tabelle 1: Wärmeleitfähigkeiten und für die Berechnungsmodelle verwendete Farben der eingesetzten Materialien. Farbe l Bezeichnung W/mK 0,17 PVC, hart 0,30 Polyamid (PA) 50 Stahl 160 Aluminium/SI-Legierung 1,0 Kalksandstein 0,51 Innenputz/Gipsfaserplatte 3,5 Marmor 0,04 Mineralfaser 2,3 Stahlbeton 0,17 Holzwerkstoffplatte ~700kg/m³ (Sperrholz, Spanplatte, MDF) 0,70 Außenputz 0,19 Swisspacer V Ersatz 0,40 Polysulfid 0,10 Molekularsieb 0,19 GFK 0,06 Vorlege-/Kompriband (Einbaufuge Fenster) 0,031 Wärmedämmung 031 0,29 2,2x Weichholz ~500kg/m³ (Wärmestrom in Faserrichtung) 0,030 Wärmedämmung Glas 0,13 Weichholz ~500kg/m³ 0,14 PVC, weich 0,19 Verklebung

5 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens Seite 5 Für die 3-fach-Wärmeschutzverglasung wird bei den Berechnungen im Zuge der Zertifizierung generell ein Glas-U-Wert von U g = 0,7 W/(m²K) angesetzt. Um das Zertifikatskriterium U w 0,8 W/(m²K) zu erfüllen ist ein Rahmen (sowie ein Abstandhalter/Randverbund) mit einer entsprechenden thermischen Güte erforderlich. Die Randbedingungen wurden für die Berechnungen mit 10 C Außentemperatur bzw. +20 C Innentemperatur gewählt. Die Wärmeübergangskoeffizienten sind in der folgenden Tabelle aufgelistet. An den inneren Oberflächen des Fensters wurde gemäß DIN EN in den Ecken mit einem reduzierten Wärmeübergang von h i = 5 W/(m2K) gerechnet. Tabelle 2: Wärmeübergangskoeffizienten an den Oberflächen Randbedingungen Wärmeübergang h [W/m²K] Wärmeübergang zu Außenluft bei T = -10 C 25, 00 red. Wärmeübergang, vorgehängte Fassade, T = -10 C 7, 69 Wärmeübergang zu Innenluft bei T = +20 C 7, 69 reduzierter Wärmeübergang zu Innenluft, T = +20 C 5, 00

6 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens Seite 6 3. Modellbildung für den Randverbund In vielen Randverbundkonstruktionen sind sehr dünne Metallfolien (etwa 0,025 bis 0,1 mm) mit hohen Wärmeleitfähigkeiten verarbeitet. Die maßstäbliche Abbildung des Abstandhalters im Berechnungsmodell wäre nur mit sehr großem numerischem Aufwand lösbar. Deshalb wurde anstatt einer hoch aufgelösten Abbildung des Abstandhalters Swisspacer V eine vereinfachte, jedoch thermisch gleichwertige Ersatzkonstruktion verwendet. Dies erlaubt eine größere Diskretisierung des Berechnungsmodells und damit einen praktikablen Rechenaufwand. Die Geometrie der Ersatzkonstruktion ist in Abbildung 1 dargestellt, die entsprechenden Wärmeleitfähigkeiten der Materialien sind in Tabelle 1 dokumentiert. Swisspacer V Abbildung 1: Ersatzkonstruktion für den Abstandhalter Swisspacer V

7 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens Seite 7 4. Zertifizierte Rahmenkonstruktion Abbildung 2 zeigt den Schnitt 'oben/seitlich' und unten des zertifizierten Fensterrahmens mit einer 48 mm dicken Verglasung und dem Abstandhalter Swisspacer V. Rechts ist das zugehörige Isothermenbild dargestellt. Senkrecht zu den farbig gezeichneten Isothermen verlaufen die Wärmestromlinien. Zwischen den Linien fließt jeweils ein Wärmestrom von 0,1 W/m. Um Einzelheiten besser erkennen zu können werden in den Grafiken nur relevante Ausschnitte der Berechnungsmodelle dargestellt. Abbildung 2: Fensterrahmen energeto 8000 foam inside: Schnitt 'seitlich/oben' bzw. 'unten' mit dem zugehörigen Isothermenbild

8 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens Seite 8 5. Ergebnisse der Wärmestromberechnungen Die Wärmeströme Q total wurden mit dem zweidimensionalen Wärmestromprogramm Bisco für jede Schnittzeichnung auf Grundlage der DIN EN bzw. 2 berechnet. Für jeden Schnitt wurden normgemäß jeweils zwei Berechnungen durchgeführt, einmal mit eingebauter Verglasung und einmal mit einem Eichpaneel (WLK 035) anstelle der Verglasung. Der Randeinstand und die Dicke des Paneels entsprechen denen der Verglasung. Die berechneten Wärmeströme Q total sind jeweils zusammen mit den entsprechenden Maßen der Schnitte in Tabelle 3 dokumentiert. Diese Zwischenergebnisse bilden die Grundlage für die Kalkulation der U- und Ψ- Werte in Tabelle 4. Tabelle 3: Ergebnisse der Wärmeströme Q total für alle Schnitte (berechnet mit dem zweidimensionalen Wärmestromprogramm Bisco) Schnittzeichnung Höhe des Berechnungsmodells Höhen bzw. Längen der Teilflächen im Berechnungsmodell Q total mit Scheibe bzw. mit Paneel [m] [m] [W/m] Fensterrahmen mit Glas seitl./oben l Rahmen 0,119 9, ,4 Fensterrahmen mit Paneel seitl./oben l Glas, Paneel 0,281 8,34926 Fensterrahmen mit Glas unten l Rahmen 0,149 9, ,4 Fensterrahmen mit Paneel unten l Glas, Paneel 0,251 8,53788 Einbau in Wärmedämmverbundsystem Einbau in Holzbauwand Einbau in Wand aus Betonschalungsstein seitl./oben 1,41 l Wand 1,01 13,82450 unten 1,41 l Wand 1,01 14,47370 seitl./oben 1,126 l Wand 0,726 12,90622 unten 1,126 l Wand 0,726 13,41926 seitl./oben 1,41 l Wand 1,01 14,11150 unten 1,41 l Wand 1,01 14,74220 Eigenschaften der Verglasung Abstandhalter Swisspacer V Anzahl der Scheiben 3 Stück Dicke Scheibenzwischenraum 18 mm Dicke Glasscheibe 4 mm Dicke der Verglasung (= Dicke des Paneels) 48 mm Wärmeleitfähigkeit des SZR 0,0289 W/mK U-Wert Verglasung 0,7000 W/m²K Eigenschaften des Paneels Wärmeleitfähigkeit des Paneels 0,035 W/mK U-Wert des Paneels 0,6487 W/m²K

9 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens Seite 9 6. Berechnungsergebnisse im Überblick Tabelle 4: Berechnungsergebnisse der Fensterkennwerte im Überblick Berechnung von Fensterkennwerten durch das Passivhausinstitut Auftraggeber aluplast GmbH Datum März 2011 Fensterrahmen energeto 8000 foam inside Bearbeiter ego Beschreibung Kunststoffprofile mit teilweise gedämmten Hohlräumen und Armierung aus Polyamid Abstandhalter Dicke der Verglasung U-Wert Verglasung Fenstergröße Swisspacer V Beurteilung von Rahmen und Glasrand 48 mm 0,70 W/m²K 1,48 x 1,23 m Wärmedurchgangskoeffizient des Rahmens Wärmebrückenverlustkoeffizient am Glasrand Wärmedurchgangskoeffizient eines nicht eingebauten Fensters U f Ψ g [W/m²K] [W/mK] U w [W/m²K] 0,80 0,81 seitl./oben 0,82 unten 0,027 seitl./oben 0,027 unten minimaler Temperaturfaktor bei R si = 0,20 m²k/w f Rsi=0,20 [-] 0,78 Rahmenbreite Beurteilung der Einbausituation [mm] U-Wert der ungestörten Wand 0,119 seitl./oben 0,149 unten Wärmebrückenverlustkoeffizient für den Einbau U-Wert des eingebauten Fensters U Wand Ψ Einbau U w,eingebaut [W/(m²K)] [W/(mK)] [W/(m²K)] Einbau in Wärmedämmverbundsystem Einbau in Holzbauwand Einbau in Wand aus Betonschalungsstein seitl./oben 0,013 0,127 unten 0,030 seitl./oben 0,007 0,143 unten 0,020 seitl./oben 0,007 0,143 unten 0,023 0,850 0,830 0,830 Die Fehlertoleranz für die U-Werte beträgt ± 0,02 W/(m²K) und für die y-werte ± 0,002 W/(mK)

10 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens Seite Fenster-U-Werte für verschiedene Formate Der U-Wert U w eines nicht eingebauten Fensters beliebiger Größe lässt sich mit folgender Formel berechnen: U w = A g x U g + A f x U f + l g x Ψ g A w mit: U w bzw. A w U-Wert bzw. Fläche des Fensters (engl.: window) U f bzw. A f U-Wert bzw. Fläche des Rahmens (engl.: frame) U g bzw. A g U-Wert bzw. Fläche der Verglasung (engl.: glas) A w = A g + A f l g Ψ g Länge des Glasrandes (entspricht dem Umfang der Scheibe) Wärmebrückenverlustkoeffizient (Psi-Wert) des Glasrandes (abhängig u.a. von dem Glaseinstand und der thermischen Qualität des Abstandhalters)

11 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens Seite Einbausituationen Neben dem Wärmedurchgang durch Fensterrahmen und Verglasung ist der Anschluss des Rahmens an eine Passivhaus geeignete Wand (U-Wert der Wand muss kleiner als 0,15 W/(m 2 K) sein) von entscheidender Bedeutung für das gesamte System. Deshalb wurden drei typische Einbausituationen, deren Ausgestaltung im Detail vom Hersteller vorgegeben wurde, auf ihre Tauglichkeit hin überprüft: 1. Einbau des Fensters in einer Mauerwerkswand mit Wärmedämmverbundsystem mit einem Regel-U-Wert von 0,127 W/(m 2 K) 2. Einbau des Fensters in einer Holzbauwand mit einem Regel-U-Wert von 0,143 W/(m 2 K) 3. Einbau des Fensters in einer Wand aus Betonschalungssteinen, d.h. eine verlorene Schalungen aus EPS, in die Beton verfüllt wird, mit einem Regel-U-Wert von 0,143 W/(m 2 K). Die Regel-U-Werte der ungestörten Wand, d.h. ohne Fensteröffnung, wurden ebenfalls mit Bisco berechnet. Die Höhen der Berechnungsmodelle der Einbausituationen sind in Tabelle 3 angegeben. Auf den folgenden Seiten werden die Schnitte der oben genannten Einbausituationen gezeigt. Um Einzelheiten besser erkennen zu können, werden in den Grafiken nur relevante Ausschnitte der Berechnungsmodelle dargestellt. Die berechneten Fenster-Kennwerte sind in Tabelle 4 zusammengefasst. Der U-Wert eines eingebauten Fensters beliebiger Größe lässt sich mit folgender Formel berechnen: U w,eingebaut = A W x U W + l Einbau x Ψ Einbau A w mit: U w bzw. A w U-Wert bzw. Fläche des Fensters (engl.: window) l Einbau Länge des Anschlusses Fenster an Außenwand (entspricht dem Umfang des Fensters) Ψ Einbau Wärmebrückenverlustkoeffizient (Psi-Wert) des Anschlusses Fenster an Außenwand Bei unterschiedlichen Schnitten seitlich, oben bzw. unten müssen die unterschiedlichen Psi-Werte mit den entsprechenden Längen in die Berechnung eingehen.

12 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens Seite 12 Mauerwerk mit Wärmedämmverbundsystem (WDVS) Folgende Abbildung zeigt den Einbau des Fensters 'oben/seitlich' und unten in einer Mauerwerkswand mit Wärmedämmverbundsystem (WDVS). Rechts ist das zugehörige Isothermenbild dargestellt. Senkrecht zu den farbig gezeichneten Isothermen verlaufen die Wärmestromlinien. Zwischen den Linien fließt jeweils ein Wärmestrom von 0,1 W/m. Abbildung 3: Einbausituation 'oben/seitlich' und unten für eine Mauerwerkswand mit Wärmedämmverbundsystem und das zugehörige Isothermenbild

13 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens Seite 13 Holzbauwand Folgende Abbildung zeigt den Einbau des Fensters 'oben/seitlich' und unten in einer Holzbauwand. Rechts ist das zugehörige Isothermenbild dargestellt. Senkrecht zu den farbig gezeichneten Isothermen verlaufen die Wärmestromlinien. Zwischen den Linien fließt jeweils ein Wärmestrom von 0,1 W/m. Im Brüstungsbereich sind als Auflager für das Fenster punktuell Hölzer nach statischen Erfordernissen mit dazwischenliegender Dämmung angeordnet. Würde hier ein massives, durchgehendes Brett eingesetzt, würde sich durch die thermische Verschlechterung der Wand in diesem Bereich eine deutliche Erhöhung von Ψ Einbau ergeben. Abbildung 4: Einbausituation 'oben/seitlich' und unten für eine Holzbauwand und das zugehörige Isothermenbild.

14 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens Seite 14 Beton-Schalungsstein Folgende Abbildung zeigt den Einbau des Fensters 'oben/seitlich' und unten in einer Wand aus Betonschalungssteinen. Rechts ist das zugehörige Isothermenbild dargestellt. Senkrecht zu den farbig gezeichneten Isothermen verlaufen die Wärmestromlinien. Zwischen den Linien fließt jeweils ein Wärmestrom von 0,1 W/m. Abbildung 5: Einbausituation 'oben/seitlich' und unten für eine Wand aus Betonschalungssteinen und das zugehörige Isothermenbild

15 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens Seite Abschließende Bewertung Der vorliegende Fensterrahmen der Firma aluplast GmbH mit dem Produktnamen energeto 8000 foam inside stellt eine akzeptable und bezüglich der geprüften Parameter funktionierende Konstruktion einer Passivhaus geeigneten Komponente dar. Durch den Einsatz des Abstandhalters Swisspacer V wird ein für Passivhausfenster guter Glasrand-Ψ-Wert erreicht. Die Ergebnisse der Wärmestromberechnungen, die in diesem Bericht dokumentiert sind, belegen, dass die geforderten Werte für U w und U w,eingebaut erreicht werden. Bei der Bauausführung ist darauf zu achten, dass die Fenster wie im Bericht dargestellt eingebaut werden. Andernfalls können sich die Einbauwärmebrückenverslustkoeffizienten erheblich verschlechtern.

16 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens Seite Anhang: Konstruktionszeichnungen energeto 8000 foam inside: Rahmenschnitt seitlich/oben und unten (nicht maßstäblich)

17 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens Seite 17 energeto 8000 foam inside: Einbau in einer Massivwand mit Wärmedämmverbundsystem (WDVS) (nicht maßstäblich)

18 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens Seite 18 energeto 8000 foam inside: Einbau in einer Holzleichtbauwand (nicht maßstäblich)

19 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens Seite 19 energeto 8000 foam inside: Einbau in einer Wand aus Betonschalungssteinen (nicht maßstäblich)

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