Wärmebrückenberechnung zur Zertifizierung des Fensterrahmens clima compact als Zertifizierte Passivhaus Komponente

Transkript

1 Wärmebrückenberechnung zur Zertifizierung des Fensterrahmens clima compact als Zertifizierte Passivhaus Komponente im Auftrag der Firma PORTA Bauelemente & mehr GmbH & Co. KG Linther Str. 1 Linthe Germany Passivhaus Institut Bericht Rheinstraße 44/46 März 2013 D Darmstadt Tel: Fax: mail@passiv.de Autor: Adrian Muskatewitz

2 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens clima compact Seite 1 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2 2. Vorgaben zur Wärmestromberechnung Beschreibung des Fensterrahmens Glas, Panel und Randverbund Randbedingungen Verwendete Materialien und Wärmeleitfähigkeiten 5 3. Ergebnisse der Wärmestromberechnungen 6 4. Berechnungsergebnisse im Überblick 7 5. Zertifizierte Rahmenkonstruktionen 8 6. Fenster-U-Werte für verschiedene Formate 9 7. Einbausituation Wand mit Wärmedämmverbundsystem (WDVS) Holzleichtbauwand Wand aus Betonschalungssteinen Zusammenfassung Anhang: Konstruktionszeichnungen 15

3 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens clima compact Seite 2 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 in kühl gemäßigtem Klima 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. Durch das Passivhaus Institut (PHI) wurden folgende Anforderungen für das Zertifikat "Zertifizierte Passivhaus Komponente - Fensterrahmen" festgesetzt: U W 0,80 W/(m²K) U W ist der mittlerer Wärmedurchgangskoeffizient für das gesamte Fenster bei Verwendung einer Verglasung mit Ug = 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 * 1,48 m). Dieses Kriterium ist an mindestens drei Einbauvarianten nachzuweisen. Des Weiteren ist das Hygienekriterium zu erfüllen. Dieses Kriterium begrenzt die minimale Einzeltemperatur an der Innenseite der Fensteroberfläche, um Tauwasserausfall und Schimmelbildung zu vermeiden. Für kühl-gemäßigtes Klima gilt: f Rsi_0,25 m²k/w 0,70 Dies entspricht einer minimalen Temperatur von 12,6 C bei einer Außentemperatur von -5 C und einer Innentemperatur von 20 C und 50% relativer Luftfeuchte. Zusätzlich werden die Fenster abhängig von den Wärmeverlusten durch den opaken Teil in Effizienzklassen eingestuft, die sich an Ψ opak orientieren. In diese Wärmeverluste gehen die Rahmen-U-Werte, die Rahmenbreiten, die Glasrand-Ψ-Werte und die Glasrandlängen ein: opak Für das Passivhaus ist die Bilanz aus Wärmeverlusten und Wärmegewinnen relevant. Da die solaren Gewinne schwer fassbar sind, ist es zweckmäßig, die Verluste über die Bereiche zu quantifizieren und zu einer Bilanzierung heran zu ziehen, über die keine solaren Gewinne möglich sind. Dies leistet Ψ opak. g U f l A g f Tabelle 1: Passivhaus-Effizienzklassen. Ψ opak Passivhaus-Effizienzklasse 0,110 W/(mK) pha 0,155 W/(mK) phb 0,220 W/(mK) phc Bezeichnung Advanced component Basic component Certifiable component

4 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens clima compact Seite 3 2. Vorgaben zur Wärmestromberechnung Im Auftrag der Firma PORTA Bauelemente & mehr GmbH & Co. KG in Linthe hat das Passivhaus Institut für einen wärmegedämmten Fensterrahmen mit dem Produktnamen clima compact die thermischen Kennwerte für ein Fenster (Standardmaß: 1,23 m * 1,48 m) auf der Grundlage der DIN EN ISO und berechnet. Das Passivhaus Institut arbeitet zur Berechnung von Wärmebrücken mit dem Wärmestromprogramm BISCO der Firma Physibel, Belgien Beschreibung des Fensterrahmens Kunststofffenster mit Polyurethan in den Hohlkammern. Es kommt der Abstandhalter Swisspacer V zum Einsatz, für den im Berechnungsmodell eine thermisch gleichwertige Ersatzkonstruktion angesetzt wurde Glas, Panel und Randverbund Für die 3-fach-Wärmeschutzverglasung wird bei den Berechnungen im Zuge der Zertifizierung generell ein Glas-U-Wert von 0,70 W/(m²K) angesetzt. Um einen Fenster- U-Wert 0,80 W/(m²K) zu erfüllen ist ein Rahmen (sowie ein Abstandhalter/ Randverbund) mit einer entsprechenden thermischen Güte erforderlich. Bei Verbund und Kastenfenstern wird der zusätzliche Luftzwischenraum berücksichtigt. Tabelle 2: Eigenschaften der Verglasung und des Panels der zertifizierten Komponente. Eigenschaften der Abstandhalter: Swisspacer V Verglasung Anzahl der Scheiben: 3 Stück Stärke der Scheiben (innere Verglasung): 4 / 4 / 4 mm Stärke des Scheibenzwischenraumes: 16 mm Scheibenaufbau (innere Verglasung) 44 mm Wärmeleitfähigkeit des SZR: 0,026 W/(mK) Zusätzlicher Luftzwischenraum - mm Stärke der zusätzlichen Scheibe - mm Wärmeleitfähigkeit Luftzwischenraum - W/(mK) Stärke des gesamten Scheibenaufbaus 44 mm U-Wert der Verglasung: 0,700 W/(m²K) Eigenschaften des Wärmeleitfähigkeit des Panels: 0,035 W/(mK) Panels U-Wert des Panels: 0,701 W/(m²K)

5 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens clima compact Seite 4 In vielen Randverbundkonstruktionen sind sehr dünne Metallfolien (etwa 0,01 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 originalgetreuen Abbildung des Abstandhalters Swisspacer V eine vereinfachte, jedoch thermisch gleichwertige Ersatzkonstruktion verwendet. Dies erlaubt eine größere Diskretisierung des Berechnungsmodells und damit einen praktikablen Rechenaufwand Randbedingungen 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 Wärmeübergangswiderstand von R Si = 0,20 m²k/w gerechnet. Tabelle 3: Wärmeübergangswiderstände und Temperaturen an den Oberflächen. Oberfläche Temperatur θ Wärmeübergangswiderstand R SI [ C] [m²k/w] zu Außenluft zu Außenluft bei hinterlüfteter Fassade zu Innenluft zu Innenluft in Ecken zu Außenluft zur Bestimmung von f Rsi zu Innenluft zur Bestimmung von f Rsi Verwendete Materialien und Wärmeleitfähigkeiten 0,04 0,13 0,13 0,20 0,04 0,25 In der folgenden Tabelle sind die in der Berechnung verwendeten Materialien mit ihren Wärmeleitfähigkeiten und die für die Darstellung gewählten Farben aufgelistet. Quellen für die Wärmeleitfähigkeiten sind Firmenangaben bzw. einschlägige Normen. Die äquivalente Wärmeleitfähigkeit von Hohlräumen wurde gemäß DIN EN ermittelt. 20

6 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens clima compact Seite 5 Tabelle 4: Wärmeleitfähigkeiten und (für die im Berechnungsmodell verwendeten) Farben der eingesetzten Materialien. Farbe Colour l W/mK Bezeichnung 0,170 PVC, hart 0,032 Expandiertes Polystyrol 50,000 Stahl 0,130 Weichholz ~500kg/m³, OSB ~650kg/m³ 1,000 Kalksandstein 0,510 Innenputz/Gipsfaserplatte 0,035 Extrudiertes Polystyrol 3,500 Marmor 0,040 Zellulose 0,028 BAYDUR 0,250 Gipskartonplatte 0,700 Außenputz 0,140 PVC flexible 0,240 Butyl 0,400 Polysulfid 0,190 GFK 0,178 Superspacer TriSeal Ersatz 0,02573 SZR 16mm Ug= 0,7 0,290 2,2x Weichholz ~500kg/m³ (Wärmestrom in Faserrichtung) 0,050 Holzweichfaserplatte 1,000 Glas

7 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens clima compact Seite 6 3. Ergebnisse der Wärmestromberechnungen Die Wärmeströme Q total wurden mit dem Wärmestromprogramm Bisco für jede Schnittzeichnung auf Grundlage der DIN EN bzw. -2 berechnet. Für jeden Schnitt wurden normgemäß jeweils zwei Berechnungen durchgeführt (mit eingebauter Verglasung und mit Dämmplatte (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 der folgenden Tabelle dokumentiert. Diese Zwischenergebnisse bilden die Grundlage für die Kalkulation der U- und Ψ-Werte. Die Höhe der Berechnungsmodelle beträgt bei Schnitten mit einem Glasteil 0,4 m, bei Schnitten mit 2 Glasteilen 0,6 m, für die Einbausituationen 1,41 m. Tabelle 5: Ergebnisse der Wärmestromberechnungen für alle Schnitte [W/m]. Bezeichnung Clima Compact Rahmen mit Panel Stulp - 8,7391 8,7391 8,7391 8,7896 8,7896 8,7896 Abstandhalter Swisspacer V Rahmen mit Glas WDVS Holzleichtbau Betonschalungsstein Vorhangfassade zweischal. Mauewerk Stulp - 9,5196 9,6289 9,5196 9,6289 9,5196 9, , , , , , , , , ,3816

8 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens clima compact Seite 7 4. Berechnungsergebnisse im Überblick Tabelle 6: Berechnungsergebnisse im Überblick. Bezeichnung Clima Compact Rahmenbreite bf [m] Rahmen-U- Wert Uf [W/(m²K)] Stulp - Stulp - 0,131 0,131 0,131 0,785 0,785 0,785 Abstandhalter Swisspacer V Glasrand Wärmebr. Ψg [W/(mK)] minimaler Temperaturfaktor frsi=0,25 Stulp - Stulp - m²k/w 0,0262 0,0262 0,0262 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73 0,33 0,73 0,33 0,33 0,33 0,33 0,33 0,33 0,33 Fenster-U-Wert UW [W/(m²K] Ψopak [W/(mK)] Passivhaus Effizienzklasse 0,793 0,141 ph B Einbauwärmebrücken Ψ Einbau [W/(mK)] und U W,eingebaut [W/(m²K)] WDVS Holzleichtbau Betonschalungsstein Vorhangfas sade weischalig es MW UW,eingebaut UW,eingebaut UW,eingebaut UW,eingebaut 0,0190 0,0102 0,0102 0,829 0,0258 0,0075 0,0075 0,828 0,0364 0,0145 0,0145 0,851

9 zw e UW,eingebaut

10 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens clima compact Seite 8 5. Zertifizierte Rahmenkonstruktionen In den folgenden Grafiken sind links die Berechnungsmodelle, rechts die zugehörigen Isothermenbilder 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 1 zeigt den Schnitt '/' und des zertifizierten Fensterrahmens mit einer 44 mm starken Verglasung (4/16/4/16/4) und dem Abstandhalter Swisspacer V. Abbildung 1: Clima Compact: Schnitt '/' bzw. '' mit den zugehörigen Isothermen- und Wärmestrombildern.

11 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens clima compact Seite 9 6. Fenster-U-Werte für verschiedene Formate Der Fenster-U-Wert U W eines nicht eingebauten Fensters beliebiger Größe kann nach folgender Formel berechnet werden: U W A g U g A A g f U mit: A g Glasfläche [m²] U g mittlerer Glas-U-Wert [W/(m²K] A A f Rahmenfläche [m²] U f mittlerer Rahmen-U-Wert [W/(m²K] l g Länge Glasrand [m] Ψ g mittlere Glasr.wärmebr. [W/(mK)] f f l g g

12 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens clima compact Seite Einbausituation Neben dem Wärmedurchgang durch Fensterrahmen und Verglasung ist der Einbau des Fensters in 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 typische Einbausituationen, deren Ausgestaltung im Detail vom Hersteller vorgegeben wurde, auf ihre Tauglichkeit hin überprüft. Die Ergebnisse werden in den Tabellen 5 und 6 wiedergegeben. Die Berechnungsmodelle und Isothermengrafiken werden folgend dargestellt. Der U-Wert eines eingebauten Fensters beliebiger Größe lässt sich mit folgender Formel berechnen: U W, eingebaut A W U Einbau mit: A W Fensterfläche [m²] U W Fenster-U-Wert [W/(m²K)] W l A W Einbau l Einbau Umfang Fenster [m] Ψ Einbau mittlere Einbau Wärmebr. [W/(mK)]

13 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens clima compact Seite Wand mit Wärmedämmverbundsystem (WDVS) Folgende Abbildung zeigt den Einbau des Clima Compact '/ und ' in einer Wand 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. Um Einzelheiten besser erkennen zu können werden in den Grafiken nur relevante Ausschnitte der Berechnungsmodelle dargestellt. Einbausituation '' und '/'' für eine mit zugehörigen Isothermenbildern" Wertetabelle Clima Compact U Wand [W/(m²K)] 0,13 Ψ Einbau, [W/(mK)] Ψ Einbau, s./ [W/(mK)] U W,eingebaut [W/(m²K)] 0,019 0,010 0,83

14 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens clima compact Seite Holzleichtbauwand Folgende Abbildung zeigt den Einbau des Clima Compact '/ und ' in der Timber construction wall. 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. Einbausituation '' und '/'' für eine mit zugehörigen Isothermenbildern" Wertetabelle Clima Compact U Wand [W/(m²K)] 0,13 Ψ Einbau, [W/(mK)] Ψ Einbau, s./ [W/(mK)] 0,026 0,008 U W,eingebaut [W/(m²K)] 0,83

15 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens clima compact Seite Wand aus Betonschalungssteinen Folgende Abbildung zeigt den Einbau des Clima Compact '/ und ' in der Wall from insulated formwork blocks. 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. Einbausituation '' und '/'' für eine mit zugehörigen Isothermenbildern" Wertetabelle Clima Compact U Wand [W/(m²K)] 0,15 Ψ Einbau, [W/(mK)] Ψ Einbau, s./ [W/(mK)] 0,036 0,015 U W,eingebaut [W/(m²K)] 0,85

16 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens clima compact Seite Zusammenfassung Das untersuchte clima compact der Firma PORTA Bauelemente & mehr GmbH & Co. KG stellt eine gelungene und bezüglich der geprüften Parameter funktionierende Konstruktion einer Zertifizierten Passivhaus Komponente dar. Die Zertifikatskriterien werden mit dem Abstandhalter Swisspacer V 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 das Fenster wie im Bericht dargestellt eingebaut wird. Andernfalls können sich die Einbauwärmebrücken-verlustkoeffizienten erheblich verschlechtern.

17 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens clima compact Seite Anhang: Konstruktionszeichnungen Clima Compact: Rahmenschnitt und / (nicht maßstäblich)

18 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens clima compact Seite 16 Clima Compact: Einbausituation in Wand mit Wärmedämmverbundsystem (WDVS) (nicht maßstäblich)

19 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens clima compact Seite 17 Clima Compact: Einbausituation in Holzleichtbauwand (nicht maßstäblich) 304 6,5 12,5 12,5

20 Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens clima compact Seite 18 Clima Compact: Einbausituation in Wand aus Betonschalungssteinen (nicht maßstäblich)