Optimierung der Einbausituation

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1 Optimierung der Einbausituation Gewinne und Verluste beim PassivHausFenster Bei wärmetechnischer Betrachtung und nicht nur hierbei ist das Fenster ein besonders komplexes Bauteil. Die Suche nach der richtigen Einbaulage im Wandquerschnitt bedarf der Wärmebrücken- Analyse (s. dnq-hefte 3 + 4/2001). Dabei werden die Vorteile einer nach innen gerückten Position und einer Überdämmung der Blendrahmen klar erkennbar. Aber diese stehen im Widerspruch zu den sich daraus ergebenden Nachteilen bei den Solargewinnen (mehr Verschattung). Eventuell lässt sich dies optimieren, so ist immer wieder von Architekten zu hören, wenn die äußeren Laibungen angeschrägt werden. Erstmalig wurden diese miteinander verwobenen Einflussfaktoren mit gekoppelten Simulationsrechnungen durch eine Fallstudie für das DBU-geförderte Projekt Vorplanung passôtel [21] des Energie- und Umweltzentrums in Springe/ Eldagsen untersucht. Wir dokumentieren diese gerade für den Holzbau wichtigen Erkenntnisse durch einen aktualisierten Beitrag des Autors. Die Redaktion Autor: Jürgen Schnieders, Passivhaus Institut, Darmstadt. Einbauprobleme besonders beim Massivbau Ein geeigneter Fenstereinbau ist äußerst wichtig, um die thermischen Qualitäten der hochwärmegedämmten Verglasungen und Rahmen auch zu nutzen. Besonders beim Massivbau ist auf den richtigen Einbau zu achten, da hier Materialien mit sehr unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten zum Einsatz kommen. Das zu beachtende Prinzip ist: Die Dämmschichten sollten ohne Versatz durchlaufen und vollflächig aneinander anstoßen. Abb. 1 zeigt einen sehr ungünstigen und den vom Passivhaus Institut empfohlenen Einbau. Die Auswirkungen verschiedener Fenstereinbau-Varianten in massiven Außenwänden werden ausführlich in [Feist 1999] untersucht. Auch im Holzleichtbau ist der korrekte Fenstereinbau von Bedeutung. Dies wird nachfolgend anhand von Beispielrechnungen näher dargestellt. Randbedingungen der Falluntersuchungen Die Berechnungen erfolgten für eine Leichtbau- Außenwand vom Typ Kölner Holzhaus : Auf einer 140 mm starken Holzständerwand ist eine 200 mm starke, zweite Dämmebene mit Stegträgern angebracht (vgl. Abb. 2). Das Holzbausystem wurde in dnq 6/2000 ausführlich dargestellt. Die Fassade wird hinterlüftet ausgeführt (in der Zeichnung nicht dargestellt). In diese Wand wird ein stilisiertes passivhaustaugliches Holzfenster mit Dämmschicht und thermisch getrenntem Randverbund eingebaut (U f = 0,70 W/(m 2 K), Ψ = 0,032 W/(mK)). Der Blendrahmen reicht fast bis zur Glaskante, entsprechend weit kann der Rahmen überdämmt werden. Ermittelt wurden im Folgenden jeweils die Wärmeverluste und die nutzbaren solaren Wärmegewinne des eingebauten Fensters. Das Solarstrahlungsangebot und die Verschattungsfaktoren wurden mit Hilfe des Passivhaus Projektierungs Pakets Abb. 2: Fenstereinbau in einer Leichtbauwand (Horizontalschnitt, System Kölner Holzhaus). In diesem Beispiel wird das Fenster außenbündig mit den Holzständern befestigt. Abb. 1: Extrem schlechter (links) und empfohlener (rechts) seitlicher/oberer Einbau in eine Kalksandsteinwand mit Wärmedämmverbundsystem. Der gesamte spezifische Wärmeverlust beim linken Einbau ist um ca. 0,4 W/(m 2 K) größer als beim rechten! Bautechnik 6/

2 Bautechnik Abb. 3: Variation der Höhe der Überdämmung. In der Zeichnung ist die minimale Überdämmung von 15 mm durch die Spanplatte in der Laibung dargestellt. Abb. 4: Einfluss der Variation des Laibungswinkels Abb. 5: Variation der Position in der Laibung. 0 mm bedeuten die eingezeichnete Position, bei positiven Werten liegt das Fenster weiter außen 56 6/2002

3 (aktuelle Ausgabe: [PHPP 2002]) bestimmt. Beide Größen hängen stark von den Randbedingungen ab, unter denen sie berechnet werden bei wesentlich anderen Parametern ändern sich die Zahlenwerte erheblich. Die Quintessenz aus den Berechnungen dürfte jedoch über einen weiten Parameterbereich gültig sein. Die folgenden Randbedingungen wurden angesetzt: Verglasung: U g = 0,7 W/(m 2 K), g = 50 %. Verschattung durch einen 10 m hohen Horizont in 30 m Entfernung; das ist eine verhältnismäßig günstige Verschattungssituation. Für den Fenstereinbau werden keine zusätzlichen Ständer oder Wechsel erforderlich. Das Fenster ist rundum in der gleichen Weise eingebaut. Der solare Ausnutzungsgrad beträgt 90 %. Fenstermaße: 1,23 * 1,48 m 2 (Prüffenster zur U-Wert Ermittlung) Variation der Rahmenüberdämmung Zunächst wurde die Höhe der äußeren Überdämmung variiert (Abb. 3). Der U-Wert des Fensters nimmt mit wachsender Überdämmung des Rahmens linear ab, zwischen den beiden Extrema liegt ein Unterschied von immerhin 0,14 W/(m 2 K). Andererseits nimmt mit wachsender Überdämmung die Verschattung durch die Fensterlaibung zu, entsprechend reduzieren sich die nutzbaren solaren Wärmegewinne. Für Abb. 3 sind die nutzbaren solaren Gewinne für die Haupthimmelsrichtungen während der Heizperiode mit den Wärmeverlusten im gleichen Zeitraum verrechnet worden; das Ergebnis ist als äquivalenter U-Wert dargestellt. Die Kurven für die äquivalenten U-Werte verlaufen flacher als die Kurve für den reinen Wärmeverlust: Bei stärkerer Überdämmung sind die Wärmegewinne kleiner; das führt zu einem größeren äquivalenten U-Wert. Entscheidend für die Beurteilung des Einbaus sind hier aber eindeutig die Wärmeverluste: Auch unter Berücksichtigung der solaren Gewinne ist eine möglichst weitgehende Überdeckung des Rahmens optimal. Anschrägen der Laibung was bringt s? In der Isothermenkarte in Abb. 3 ist zu erkennen, dass die Außenkante der Laibung nahezu isotherm ist. Eine Abschrägung der Laibung würde also den Isothermenverlauf nicht wesentlich stören und damit die Wärmedämmung nur wenig verschlechtern. Andererseits würde sie aber die solaren Gewinne vergrößern. Variiert man für das angegebene Beispiel den Laibungswinkel bei voller Dämmüberdeckung des Rahmens, so ergibt sich das in Abb. 4 dargestellte Ergebnis. Die abgeschrägte Laibung bewirkt erwartungsgemäß etwas höhere Wärmeverluste (obere Kurve). Die größeren solaren Gewinne gleichen diesen Effekt aber bis zu einem Laibungswinkel von 45 schon auf der Nordseite ungefähr wieder aus; bei Südorientierung sinkt der äquivalente U-Wert mit wachsendem Laibungswinkel sogar deutlich ab. Insgesamt ist der Einfluss einer abgeschrägten Laibung geringer, als man es aufgrund der Zeichnung in Abb. 4 oben erwarten könnte. Das lässt sich leicht plausibel machen: Betrachtet man einen Punkt der Verglasung, der weiter vom eingezeichneten Rand ent-

4 Bautechnik Abb. 6: Zusätzlicher jährlicher Wärmeverlust eines Fensters mit der transparenten Fläche 0,96 m * 1,21 m gegenüber einer Wand mit U = 0,15 W/(m 2 K) bei verschiedenen Rahmenbreiten fernt liegt, so wirkt sich dort eine stärkere Abschrägung nur wenig auf den Öffnungswinkel aus, unter dem die Sonne bzw. der Himmel zu sehen sind. Lediglich für Punkte unmittelbar am Scheibenrand bewirkt der Übergang von 0 auf 45 Laibungswinkel einen um ca. 50 % größeren Öffnungswinkel zum Himmel. Der Aufwand der schrägen Laibung lohnt sich vor allem bei Fenstern, die kleiner als das 2 m 2 große Prüffenster sind Variation der Fenster- Position in der Laibung Die in die thermische Hülle gelangende Solarstrahlung wird natürlich auch dann größer, wenn man das Fenster in der Laibung nach außen schiebt. Gleichzeitig verringert sich dabei aber die Dicke der Überdämmung. Auch in dieser Beziehung gibt es ein Optimum, das je nach konkreter Situation an verschiedenen Stellen liegen kann. Abb. 5 zeigt ein Beispiel für eine mit einem Winkel von 30 abgeschrägte Laibung und eine mäßige Überdämmung des Rahmens (60 mm), wie man sie bei allen gängigen Passivhaus-Rahmen realisieren kann. Zunächst zeigt sich, dass die Position in der Dämmschicht die Wärmeverluste stark beeinflusst. Ideal für geringe Wärmeverluste ist eine Positionierung des Fensters etwa in der Mitte der Dämmebene. Dann können die Isothermen aus dem Fenster und der Wand am ungestörtesten aneinander angeschlossen werden. Die Verschiebung des Fensters in der Laibung wirkt sich für alle Punkte der Verglasung stark auf den Öffnungswinkel zum Himmel aus. Entsprechend deutlich ändern sich die äquivalenten U-Werte: Erst kurz vor der Außenkante der Wand, wo keine Überdämmung mehr möglich ist, steigt der äquivalente U-Wert wieder an. Abb. 3 bis Abb. 5 sind für einen speziellen Fall ermittelt worden. Abhängig vom konkreten Bauprojekt können die Ergebnisse auch anders aussehen. Man kann aber dennoch folgende Quintessenz festhalten: Fazit der Untersuchung Der Fensterrahmen sollte in jedem Fall so weit wie möglich überdämmt werden. Leichte Abschrägungen der Laibung sind sinnvoll, sie sollten allerdings mit Verstand durchgeführt werden: Wenn sich über dem Fenster ohnehin ein französischer Balkon oder ein großer Dachüberstand befindet, ist eine Abschrägung im Sturzbereich natürlich energetisch nachteilig; das gleiche gilt für den seitlichen Laibungsbereich, wenn das Fenster auf dieser Seite durch nebenstehende Gebäude o.ä. sowieso verschattet wird. Unerlässlich ist eine Positionierung des Fensters in der Dämmebene; energetisch vorteilhaft, aber oft schwierig zu realisieren ist ein Einbau des Fensters relativ weit außen. Ein außenbündiger Einbau empfiehlt sich aber andererseits auch nicht, da man den Rahmen dann nicht mehr überdämmen kann. In diesem Zusammenhang ist noch ein anderer Aspekt zu bedenken: In [Feist 1998] wurde gezeigt, dass sich eine etwas breitere Anzeige edition HC MÖBEL & HOLZBAU CLUSTER DAS NETZWERK FÜR MÖBEL UND HOLZBAU THE FURNITURE AND WOOD CONSTRUCTION NETWORK A-4020 Linz Hafenstr Tel Fax: mhc@tmg.at 58 6/2002

5 Laibung und ein über dem (südorientierten) Fenster angeordnetes Verschattungselement von ca. 1 m Tiefe ausgesprochen positiv auf das Sommerklima auswirken, während der Heizenergiebedarf (vgl. auch oben) dadurch noch nicht stark beeinflusst wird. Aus diesem Grund sollte das Fenster also auch nicht zu weit außen in der Laibung eingebaut werden. Einfluss der Rahmenbreite Auch die Breite des Rahmens wirkt sich auf die Gesamt-Wärmebilanz eines Fensters aus: Breitere Rahmen erfordern bei gleicher Verglasungsfläche größere Fensterflächen und verursachen damit erhöhte Wärmeverluste. Für den gleichen Rahmen und die gleichen Randbedingungen wie oben wurden die jährlichen Wärmeverluste eines Fensters mit verschiedenen Rahmenbreiten ermittelt. Für einen Vergleich verschieden breiter Rahmen muss jeweils die transparente Fläche des Fensters konstant gehalten werden, denn wegen dieser Fläche baut man das Fenster ja ein. Für die Berechnung wurde eine Dämmüberdeckung von konstant 60 mm angenommen. Ferner wurde vorausgesetzt, dass sich U f und Ψ nicht ändern, wenn der Rahmen breiter wird. Da das Fenster ein Stück Wand (angenommener U-Wert 0,15 W/(m 2 K)) ersetzt, wurden die Wärmeverluste durch diese Wand von den Wärmeverlusten des Fensters abgezogen. Die Ergebnisse zeigt Abb. 6. Zunächst zeigt sich erwartungsgemäß, dass die reinen Wärmeverluste des Fensters bei gegebener Verglasungsfläche um so größer werden, je breiter der Rahmen ausfällt. Berücksichtigt man die solaren Gewinne, so führt das lediglich zu einer Parallelverschiebung der Kurve. Der ideale Passivhausrahmen ist also nicht nur hochwärmedämmend, sondern besitzt auch eine schmale Ansichtsbreite. Lediglich bei rundum eingebauten Fensterrahmen in Lochfassaden, bei denen ein breiterer Rahmen auch höher überdämmt werden kann, hat die Rahmenbreite praktisch vernachlässigbaren Einfluss. Leider ist für die Gebrauchstauglichkeit und zur Erzielung der guten erforderlichen Dämmwerte meist eine gewisse Mindestbreite des Rahmens erforderlich. In diesem Sinne ist in der Regel der Einbau von Festverglasungen gegenüber öffenbaren Fenstern nicht nur aus finanziellen Gründen, sondern auch aus energetischer Sicht vorzuziehen. Zwar ändern sich U-Wert und Wärmebrückenverlustkoeffizient am Glasrand bei Festverglasungen kaum, die nicht überdämmbare Rahmenfläche ist aber meist wesentlich kleiner. Voraussetzung für den Einbau von Festverglasungen ist natürlich, dass eine ausreichende Anzahl öffenbarer Fenster verbleibt, um im Sommer bei Bedarf Fensterlüftung zu ermöglichen. Literatur [Feist 1998] Feist, Wolfgang: Passivhaus Sommerklima Studie, Projektendbericht. Fachinformation PHI-1998/10, Darmstadt, Passivhaus Institut, Dezember 1998 [Feist 1999] Feist, Wolfgang: Wärmebrückenfreies Konstruieren beim Massivbau. In: Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser, Protokollband Nr. 16, Wärmebrückenfreies Konstruieren, Darmstadt, Passivhaus Institut, Juni 1999 [PHPP 2002] Feist, Wolfgang, Enikö Baffia. Jürgen Schnieders, Rainer Pfluger, Oliver Kah: Passivhaus Projektierungs Paket 2002, Anforderungen an qualitätsgeprüfte Passivhäuser, 4. Auflage, Darmstadt, Passivhaus Institut, Februar 2002 Wandaufbau von innen nach außen: 9,5 mm Gipskartonplatten 15 mm OSB-Platten 120 mm Kerto-Stiele/ Schwelle/Rähm 120 mm Mineralwolle 15 mm diffusionsoffene Wandplatte 35mm Lattung 27 mm Kerto-Q-Platten Kerto-Dampfer BÜROGEBÄUDE FINNFOREST DEUTSCHLAND GMBH, BREMEN ARCHITEKTEN: GILDEHAUS LANKENAU, BREMEN HOLZFASSADE: ROLF BARKMANN GMBH, LIENEN Das Bürogebäude der Finnforest Deutschland GmbH besteht aus einem Stahlbeton Skelettbau mit Holzständerwänden als Ausfachung. Die Fassade wurde mit kesseldruckimprägnierten Kerto-Q-Platten versehen. Die geschosshohen 1,80 m breiten Furnierschichtholzplatten wurden mit rostfreien Schrauben auf der Lattung befestigt. Durch die Kesseldruckimprägnierung sind die Kerto-Platten gegen holzzerstörende Pilze und Insekten geschützt und werden im Laufe der Zeit witterungsbedingt vergrauen. Kerto Finnforest Deutschland GmbH Bausysteme/Kerto Louis-Krages-Str Bremen Tel / Fax: 04 21/ kerto@finnforest.com