Energieberatung und Gebäude-Energieausweise

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1 Lehrveranstaltung Energieberatung und Gebäude-Energieausweise Prof. Dr.-Ing. Mario Adam E² - Erneuerbare Energien und Energieeffizienz Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik Fachhochschule Düsseldorf Thema: Fenster Energiebilanz, Solare Wärmegewinne, Fensterarten, Überhitzung im Sommer Fenster 1

2 Fenster Wärmeverluste und Wärmegewinne Transmissionswärmeverlust durch Glas und Rahmen Q T = U-Wert x Fläche x T mit U-Wert = Wärmedurchgangskoeffizient T = Temperaturdifferenz zwischen Raumluft und Außenluft Lüftungswärmeverlust durch Fugen und Abdichtungen unter anderem an Fenstern Solare Wärmegewinne in der Heizperiode auftreffende Solarstrahlung Nord: ca. 100 kwh/m 2 a Ost/West: ca. 155 kwh/m 2 a Süd: ca. 270 kwh/m 2 a 20 bis 40 % davon gelangen ins Gebäude, abhängig von: Gesamtenergiedurchlassgrad g der Verglasung (40 bis 90 %) Verschmutzung Verschattung Rahmenanteile Reflexionen durch schrägen Strahlungseinfall Fenster 2

3 Transmissionswärmeverlust Q T Wärmestrom Q& T = ( Θ Innen Θ Außen ) U A Jahres - Wärmemenge : (nach EnEV 1) ) Q T = Q& T Heizperiode dt = F Gt (Fxi Ui Ai + Ai UWB ) H T in kwh/a F Gt 2) : F x : = 66 kkh/a = Klimafaktor (Gradtagszahl) für mittleren Standort in BRD (Würzburg) Temperatur-Korrekturfaktor bei verändertem Θ Außen Θ Außenluft - F x (Außenwand, Fenster, Dach) = 1,0 - U i : U-Wert bzw. Wärmedurchgangskoeffizient des Bauteils in W/(m 2 K) (früher k-wert, Umbenennung wegen EU-Harmonisierung) A i : Fläche des Bauteils [m 2 ] U WB : Wärmebrückenzuschlag in W/(m²K) = 0,10 ohne gesonderten Nachweis = 0,05 für wärmebrückenminimierte Regelkonstruktionen nach DIN 4108 Beiblatt 2 1) = xy bei Detail-Nachweisen gemäß DIN H T : spezifischer Transmissionswärmeverlust in W/K 1) gemäß vereinfachtem Heizperioden-Verfahren 2) abhängig von (H T +H V )/A N ; hier für (H T +H V )/A N < 2 Fenster 3

4 Solare Wärmegewinne Q S Solare Wärmegewinne (Fenster) 1) : Q S = Σ i,j I S,i. g j. 0,567. A F,ij [kwh/a] I S,i 2) : solare Einstrahlung an Heiztagen für verschiedene Orientierungen i I Süd = 270 kwh/(m 2 a) I Ost/West = 155 kwh/(m 2 a) in Heizperiode, auf senkrechte Wand I Nord = 100 kwh/(m 2 a) Dachflächenfenster (< 30 ) = 225 kwh/(m 2 a) g j : g-wert; Gesamtenergiedurchlassgrad des Fensters für senkrechte Einstrahlung [-] 0,567: Reduktionsfaktor; pauschale Berücksichtigung von Minderung durch Rahmen, Verschattung, Verschmutzung, Reflexion bei nicht senkrechtem Strahlungseinfall [-] A F,ij : Fensterfläche inkl. Rahmen [m²] Ausnutzungsgrad der Wärmegewinne 1,2) : 0,95 Q Q Verlust,0 C kleiner 100% wegen Übererwärmung z.b. in der Übergangszeit Q Solar +Q Innere Q verlust,+15 C 1) gemäß vereinfachtem Heizperioden-Verfahren 2) abhängig von (H T +H V )/A N ; hier für (H T +H V )/A N < h Fenster 4

5 Vergleich verschiedener Verglasungsarten U-Wert Glas [W/m 2 K] g-wert [%] Lichtdurchlässigkeit [%] 1 Scheibe bis 5,8 87 % > 90 % 2 Scheiben Isolierverglasung 12 mm Abstand, Luftfüllung 2,8-3,0 80 % ca. 90 % 2 Scheiben Wärmeschutzverglasung 8 bis 20 mm Abstand ( U, g sinken) Argon - Krypton - Xenon Füllung ( U, g sinken) 0,8-1, % aktueller Standard: U Glas = 1,1 W/m²K 3 Scheiben Wärmeschutzverglasung je 8 bis 10 mm Abstand ( U, g sinken) Krypton - Xenon Füllung ( U, g sinken) 0,4-0, % g-wert = Gesamtenergiedurchlassgrad für Solarstrahlung bei senkrechtem Einfallwinkel berücksichtigt - direkte Transmission von Solarstrahlung im gesamten Wellenlängenspektrum - indirekte Transmission, d.h. Absorption von Solarstrahlung in der Verglasung und anschließende Wärmeabgabe an den Raum Fenster 5

6 Wärmeschutzverglasung dünne Edelmetallschicht auf der Außenseite der inneren Scheibe außen innen Edelgas Trockenmittel Dichtung 2-Scheiben- Wärmeschutzverglasung Abstandhalter Dichtung Physikalische Wirkung im infraroten Wellenlängenbereich Absorptionskoeffizient von Fensterglas = ca. 1,0 Innere Scheibe erwärmt sich durch freie Konvektion und durch Absorption von Infrarotstrahlung aus dem Raum Emissionskoeffizient der Edelmetallschicht = ca. 0,0 Weitertransport der Wärme durch infrarote Abstrahlung nach außen ist unterbunden Edelgas im Scheibenzwischenraum: Reduzierung des Wärmetransports durch Leitung und Konvektion im Vergleich zu Luftfüllung Fenster 6

7 Fensterrahmen und Glasabstandhalter U-Werte von Rahmen: U f = 0,7 bis 2,8 W/m 2 K (handelsüblich 1,4 W/m 2 K; f: frame) typische Rahmenanteile an Fenstern: 15 bis 30 % Beispiel: Fenster mit 3-Scheiben-Wärmeschutzverglasung, U g = 0,7 W/m²K (g: glazing) Standard-Rahmen aus Holz U f = 1,4 W/m²K Abstandhalter aus Aluminium wenig überdeckter Glasrandverbund U-Wert Fenster (w: window) U w = 1,1 W/m²K* Rahmen mit sehr gut wärmegedämmtem Kern U f = 0,7 W/m²K Abstandhalter aus Kunststoff überdeckter Glasrandverbund U-Wert, Fenster (w: window) U w = 0,73 W/m²K* U-Wert des Fensters insgesamt ist entscheidend gute Rahmenqualitäten und Abstandhalter aus Kunststoff ( warme Kante ) wählen hohe Rahmenanteile vermeiden geringere Verluste, größere Gewinne *: für Normfenster 1,23 m x 1,48 m Fenster 7

8 Energiebilanz am Fenster = f (Fensterfläche, Fensterart) Fensterflächenanteil Jahresheizwärmebedarf [kwh/a] gegenläufige Effekte solares Energieangebot Ausnutzungsgrad der solaren Wärmegewinne (Ablüften bei Übererwärmung) Transmissionswärmeverlust Glasfläche an der Südfassade eines Passivhauses [m 2 ] Senkung des Heizwärmebedarfs durch größere Fensterflächen - nur bei hoher Güte der Fenster im Vergleich zur ersetzten Wandfläche - nur bei südlicher Ausrichtung der Fenster (± 20 ) Quelle: W. Feist, Grundzüge der Gestaltung von Passivhäusern Fenster 8

9 Fenster und sommerlicher Überhitzungsschutz Kritische Aspekte Schrägverglasungen z.b. im Dach ( sehr günstige Einstrahlwinkel) große Ost- bzw. Westverglasung (wegen tief stehender Morgen-/Abendsonne im Sommer) sehr große Südverglasung (aber durch Überstände gut zu verschatten) Maßnahmen je nach Himmelsrichtung angepasste, moderate Verglasungsfläche (zumal viel Glas den Heizwärmebedarf fast immer vergrößert) wirksame Sonnenschutzmaßnahmen, vor allem bei Schrägverglasungen (für den Winter ist temporärer Sonnenschutz etwas besser als feststehender, da feststehender Sonnenschutz solare Wärmegewinne im Winter etwas behindert) und: Wärmedämmung, thermische Gebäudemasse, Nachtlüftung Fenster 9

10 Übung: Energiebilanz am Fenster Berechnen Sie mit den Rechenansätzen des EnEV-Nachweisverfahrens für jede Himmelsrichtung, wie klein der U-Wert eines Fensters sein muss, damit die Energiebilanz am Fenster ausgeglichen ist, d.h. damit gilt: Transmissionswärmeverluste = Solare Wärmegewinne (Annahme: U w = U g ; kein Wärmebrückenzuschlag) vereinfacht, mit konstantem g-wert von 60 % genauer, unter Berücksichtigung des Aspektes, dass geringere U-Werte mit geringeren g- Werten einhergehen (siehe Tabelle) iterativ vorgehen, d.h. - g-wert wählen - U-Wert ausrechnen - überprüfen, ob der berechnete U-Wert zu dem g-wert passt - wenn nicht, g-wert verändern und neuen U-Wert ausrechnen - usw. Lösungen: 1,32 W/m²K, 0,76 W/m²K, 0,49 W/m²K; ca. 65 % - 1,43 W/m²K; ca. 45 % - 0,57 W/m²K; ca. 37 % - 0,30 W/m²K Fenster 10