Diplomarbeit I. Universität Kassel. ZUB - Zentrum für Umweltbewusstes Bauen. Vergleichende Wärmebrückenberechnung und Thermographie

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1 Universität Kassel ZUB - Zentrum für Umweltbewusstes Bauen Diplomarbeit I Vergleichende Wärmebrückenberechnung und Thermographie Universität Gesamthochschule Kassel Fachgebiete Bauphysik / TGA, Gottschalkstr. 28, Kassel Verfasser Kai Genilke

2 Universität Gesamthochschule Kassel Fachbereich : Bauingenieurwesen Fachgebiet : Bauphysik Diplomarbeit ( Diplom I ) zum Thema Vergleichende Wärmebrückenberechnung und Thermographie von Kai Genilke Matrikelnummer: Bearbeitungszeitraum : 24. Oktober 2001 bis 16. Januar Prüfer: Prof. Dr. Ing. Gerd Hauser 2. Prüfer: Prof. Wilfrid Balk Betreuer: Dipl. Ing. Dietrich Schmidt

3 Hiermit versichere ich, das ich die vorliegende Arbeit selbständig und ohne fremde Hilfe, nur unter der Verwendung der angegebenen Literatur und Quellen angefertigt habe. Kassel, den ( Kai Genilke )

4 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Definition von Wärmebrücken Allgemeine Beschreibung von Wärmebrücken Erscheinungsformen von Wärmebrücken Wärmeschutztechnische Kenngrößen Energieeinsparverordnung EnEV Das Wärmebrückenprogramm Argos Grundlagen der Thermographie Vorgehensweise Beschreibung des ZUB Wärmebrücken Planübersicht Wärmebrückenberechnung Wärmebrücke Wandecke Realbild und Thermographieaufnahmen Planausschnitt Wandecke Ungestörter Querschnitt- und Isothermen Darstellung Fehlstellensimulation Interpretation der Fehlstelle Wärmebrücke Treppenpodest Realbild und Thermographieaufnahmen Planausschnitt Treppenpodest Ungestörter Querschnitt- und Isothermen Darstellung Fehlstellensimulation Interpretation der Fehlstelle Wärmebrücke Bügelstütze Realbild und Thermographieaufnahmen Planausschnitt Bügelstütze Ungestörter Querschnitt- und Isothermen Darstellung Fehlstellensimulation Interpretation der Fehlstelle...52

5 Inhaltsverzeichnis II 8.4 Resonanzwand Realbild und Thermographieaufnahmen Planausschnitt Resonanzwand Querschnitt und Isothermen Darstellung Wärmebrücke Resonanzwand Gleichmäßiges Raster Interpretation der Fehlstelle Wärmebrücke Kellerecke Realbild und Thermographieaufnahmen Planausschnitt Kellerecke Ungestörter Querschnitt- und Isothermen Darstellung Fehlstellensimulation Interpretation der Fehlstelle Diskussion der Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick...66 Literaturverzeichnis...67

6 Abbildungsverzeichnis III Abbildungsverzeichnis Bild Geometrischbedingte Wärmebrücke...4 Bild Konstruktionsbedingte Wärmebrücke...4 Bild Materialbedingte Wärmebrücke...5 Bild Kombination aus konstruktions- und materialbedingter Wärmebrücke...5 Bild EnEV Anforderungen und Grundlagennormen...11 Bild 3.1 Eingabeoberfläche...15 Bild 3.2 Fenster Projekt Bild 3.3 Neuer Baustoff Fenster...16 Bild 3.4 ungeordnete Eingabeoberfläche Geschossdecke...16 Bild 3.5 modellierte Wärmebrücke Geschossdecke Bild 3.6 Menü rechte Maustaste...17 Bild 3.7 Menü Verbinden mit Bild 3.8 Berechnungsoberfläche...17 Bild 3.9 Menü Berechnungen / Isothermen...17 Bild 3.10 Linien ( automatisch ) Isothermen Wandecke...18 Bild 3.11 Kontinuierliche Isothermen Wandecke...18 Bild 3.12 Nachbearbeitete Isothermen Wandecke...19 Bild 3.13 Eingabemaske Eigenschaften / Wärmeübergangswiderstände...20 Bild 3.14 Normierte Darstellung der Geschossdecke zur -Wert Berechnung...21 Bild 3.15 Berechnungsmaske für Wärmebrückenverlustkoeffizient...22 Bild 3.16 Fenster zur Eingabe der relevanten Bauteillänge der Geschossdecke...23 Bild 3.17 Normierte Darstellung der Geschossdecke zur f-wert Bestimmung...24 Bild 3.18 Eingabemaske der Lufttemperaturen Geschossdecke...25 Bild 3.19 Fenster bei Tauwassergefahr...25 Bild 4.1 Realbildaufnahme...28 Bild 4.2 Thermographie...28 Bild 7.1 Grundriss KG...34 Bild 7.2 Grundriss EG...34 Bild 7.3 Grundriss 1. OG...34 Bild Realbild Wandecke...35 Bild Thermographie Wandecke...35 Bild Detail vertikaler Schnitt A-A...35

7 Abbildungsverzeichnis IV Bild Detail horizontaler Schnitt...35 Bild Vertikaler Schnitt A-A der Wandecke...36 Bild linienförmige Isothermen vertikaler Schnitt A-A...36 Bild kontinuierliche Isothermen vertikaler Schnitt A-A...36 Bild horizontaler Schnitt B-B Wandecke...37 Bild linienförmige Isothermen horiz. Schnitt B-B ( Dämmung 30 cm )...37 Bild kontinuierliche Isothermen horiz. Schnitt B-B ( Dämmung 30 cm )...37 Bild horizontaler Schnitt C-C Wandecke...38 Bild linienförmige Isothermen horiz. Schnitt C-C ( Dämmung 12 cm )...38 Bild kontinuierliche Isotherme horiz. Schnitt C-C ( Dämmung 12 cm )...38 Bild Fehlstelle vertikaler Schnitt A-A Wandecke...39 Bild linienförmige Isothermen Fehlstelle verti. Schnitt A-A...39 Bild kontinuierliche Isothermen Fehlstelle verti. Schnitt A-A...39 Bild Fehlstelle horizontaler Schnitt C-C Wandecke...40 Bild linienförmige Isothermen Fehlstelle horiz. Schnitt C-C...40 Bild kontinuierliche Isothermen Fehlstelle horiz. Schnitt C-C...40 Bild Realbild Treppenpodest...42 Bild Thermographie Treppenpodest...42 Bild Detail vertikaler Schnitt...42 Bild Detail horizontaler Schnitt...42 Bild Vertikaler ungestörter Schnitt A-A...43 Bild linienförmige Isothermen ungestörter vertikaler Schnitt A-A...43 Bild kontinuierliche Isothermen ungestörter vertikaler Schnitt A-A...43 Bild Fehlstelle Tür vertikaler Schnitt A-A...44 Bild Fehlstelle Tür linienförmige Isothermen...44 Bild Fehlstelle Tür kontinuierliche Isothermen...44 Bild Fehlstelle Tür und Dämmung vertikaler Schnitt A-A...45 Bild Tür und fehlende Dämmung als Fehlstelle...45 Bild Tür und fehlende Dämmung als Fehlstelle...45 Bild Realbild Bügelstütze...48 Bild Thermographie Bügelstütze...48 Bild Schnitt durch Bügel und Veranstaltungssaal...48 Bild Draufsicht Terrasse...48 Bild vertikaler Schnitt durch Stütze ungestörter Querschnitt...49

8 Abbildungsverzeichnis V Bild kontinuierliche Isothermen im verti. Schnitt ungestörter Querschnitt...49 Bild kontinuierliche Isothermen des Terrassendach...49 Bild vertikaler Schnitt durch Stütze Fehlstelle...50 Bild Fehlstellenmodellierung Bügelstütze und Berechnungsmodell David...51 Bild kontinuierliche Isothermen im verti. Schnitt Fehlstelle...51 Bild kontinuierliche Isothermen des Terrassendach Fehlstelle...51 Bild Realbild Resonanzwand...53 Bild Thermographie Resonanzwand...53 Bild Schnitt durch Hörsaal...53 Bild Grundriss Hörsaal...53 Bild Schnitt durch Außenwand und Bodenplatte der Resonanzwand...54 Bild linienförmige Isothermen der Außenwand Resonanzwand...55 Bild kontinuierliche Isothermen der Außenwand Resonanzwand...55 Bild Thermographie im Temperaturbereich verändert...56 Bild Vorder- und Seitenansicht Resonanzwand...56 Bild Realbild Kellerecke...58 Bild Thermographie Kellerecke...58 Bild Vertikaler Schnitt A-A...58 Bild Grundriss KG...58 Bild vertikaler Schnitt A-A Kellerecke...59 Bild ungestörte linienförmige Isothermen...59 Bild ungestörte kontinuoerliche Isothermen...59 Bild Schnitt B-B der Kellerecke...60 Bild ungestörte horizontale Isothermen...60 Bild ungestörte kontinuierliche Isothermen...60 Bild Innenansicht des ungestörten Querschnitts...60 Bild Fehlstelle vertikaler Schnitt A-A...61 Bild linienförmige Isothermen...61 Bild kontinuierliche Isothermen...61 Bild Fehlstelle horizontaler Schnitt B-B...62 Bild linienförmige Isothermen...62 Bild kontinuierliche Isothermen...62 Bild Außenanschicht der Fehlstelle Kellerecke...63 Bild Innenansicht der Fehlstelle Kellerecke...63

9 Tabellenverzeichnis VI Tabellenverzeichnis Tabelle 3.1 Tabelle Tabelle Tabelle Tabelle Tabelle Tabelle Tabelle Tabelle Tabelle Tabelle Tabelle Tabelle Temperaturrandbedingungen zur Wärmebrückenberechnung...26 Baustoffe Wandecke...36 Wärmeströme der Wandecke im vertikalen Schnitt...41 Baustoffe Treppenpodest...43 Baustoffe Treppenpodest mit Tür...44 Wärmeströme des Treppenpodestes...47 Baustoffe Bügelstütze ungestörter Querschnitt...49 Baustoffe Bügelstütze Fehlstelle...50 Stückliste Stützenanschluss...50 Baustoffe Außenwand Resonanzwand...54 Baustoffe Resonanzwand...56 Baustoffe Kellerecke...59 Wärmeströme der Kellerecke...64

10 Nomenklatur VII Nomenklatur Größe alt Zeichen neu Einheit Außenlufttemperatur La a C Fläche A m² längenbezogener Wärmebrückenverlustkoeffizient WBV W/(mK) punktförmiger Wärmebrückenverlustkoeffizient WBV P W/(mK) Raumlufttemperatur Li i C raumseitige Oberflächentemperatur Oi si C Rohdichte kg / m³ Schichtdicke s d m spezifische Wärmekapazität c Wh/(kg*K) Temperatur T C K Temperaturdifferenz T K Temperaturfaktor f ( - ) Transmissionswärmeverlustkoeffizient H T W/K Volumen V m³ volumenbezogener Feuchtegehalt n v - Wärmebrückenzuschlagskoeffizient U WB W/(m²K) Wärmedurchgangskoeffizient k U W/(m²*K) Wärmedurchgangswiderstand 1/k R T m²k/w Wärmedurchlasswiderstand 1/ R m²*k/w Wärmekapazität C Wh/K Wärmeleitfähigkeit W/(m*K) Wärmemenge Q kwh/a bzw. kj Wärmestrom Q W Wärmestromdichte q W/m² Wärmeübergangskoeffizient h W/(m²*K) Wärmeübergangswiderstand außen 1/ a R se m²*k/w Wärmeübergangswiderstand innen 1/ i R si m²*k/w Zeit t h Kehrwerte der Widerstände heißen Koeffizienten. Frühere Energieeinheit: 1 kcal = 4187 J = 0, kwh; frühere Leistungseinheit: 1 kcal/h = 1,163 W [ 15 ] = Alpha = Delta,, = Theta = Lambda = Rho = Chi = Psi = Phi

11 Einleitung 1 1 Einleitung Die Bedeutung energiesparender Maßnahmen, insbesondere auf dem Gebiet der Gebäudebeheizung und des baulichen Wärmeschutzes, steht in engem Zusammenhang mit der Lösung von Umweltproblemen und ist ein vorrangiges gesellschaftliches Anliegen. Bereits in der Begründung für die Novelle der derzeitig gültigen Wärmeschutzverordnung (WschVO) vom 16. August 1994 ist eine Forderung der Bundesregierung und des Bundesrates enthalten, weitere Verschärfungen der Energieeinsparverordnung vorzunehmen, die zu einer nochmaligen Verbrauchssenkung von ca. 25% bis 30% führen. Die Erhöhung des Anforderungsniveaus bezüglich des energiesparenden Wärmeschutzes ist Bestandteil eines Klimaschutzprogrammes der Bundesregierung, das mit dem Ziel verfolgt wird, die CO 2 Emissionen bis zum Jahr 2005 um 25% gegenüber dem Stand 1990 zu reduzieren. Durch die Beheizung von Gebäuden entstehen Betriebskosten, deren Höhe vom eingesetzten Baustoff und der gewählten Baukonstruktion bestimmt wird. Heizund Kühlenergie wird im wesentlichen aus fossilen Energieträgern gewonnen, die zum großen Teil in Form von Erdöl, Erdgas und Kohle eingeführt werden. Die Vorräte an Kohle, Öl, Gas und Uran sind begrenzt und reichen bei unveränderter Weltförderung für Öl noch ca Jahre. Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe werden Schadstoffe und CO 2 an die Umwelt abgegeben, die zu Umweltschäden an Pflanzen und Gebäuden sowie zu Klimaveränderungen, dem sogenannten Treibhauseffekt, führen. Diese globalen Umweltbelastungen sind mittlerweile das Hauptproblem des Energieverbrauchs. Eine wesentliche Voraussetzung zur Einsparung von Heizenergie ist die Verbesserung der Wärmedämmeigenschaften der Außenbauteile. Jedoch nimmt durch die immer weitergehende Verbesserung der Dämmstandards die relative Bedeutung von Fehlstellen, den Wärmebrücken, zu. Das heißt, je besser die Gebäude gedämmt werden, desto negativer wirken sich Wärmeverluste durch Wärmebrücken auf die gesamte Wärmebilanz des Gebäudes aus. Als Wärmebrücken werden Bauteilzonen oder Bauteile bezeichnet, durch die mehr

12 Einleitung 2 Wärme als durch angrenzende Zonen fließt. Aus energetischer Sicht sind Wärmebrücken zu beachten, da ihr Anteil an Transmissionswärmeverlusten eines Gebäudes erheblich sein kann. Zum einen können die Wärmeverluste über Wärmebrücken bei hochwärmegedämmten Bauwerken bis zu 50% der Transmissionswärmeverluste ausmachen [13], zum andern sind die damit verbundenen lokalen niedrigen Oberflächentemperaturen auf der Innenseite des Bauteils häufig Ursache von Bauschäden und Schimmelpilzbildung. Auch aus Gründen der Behaglichkeit ist es wünschenswert, möglichst gleichmäßige innere Oberflächentemperaturen zu erhalten. Um zusätzliche Wärmeverluste über Wärmebrücken quantifizieren und reduzieren zu können und somit Bauschäden vorzubeugen, bedarf es einer genauen Betrachtung der Anschlussdetails, geschehen z. B. in den Wärmebrückenatlanten für den Holz- und Mauerwerksbau [11] [12]. Der Neubau des Bürogebäudes, in dem das Zentrum für Umweltgerechtes Bauen, kurz ZUB genannt, beherbergt ist, dient als Versuchs- und Anschauungsobjekt. In dieser Arbeit werden durch Thermographiemessungen Fehlstellen an dem oben genannten Niedrigenergiehaus festgestellt. Durch eine detaillierte Berechnung anhand der Wärmebrückenprogramme Argos [17] und David [18] werden die Wärmebrücken mit der Messung verglichen und bewertet. Gegebenenfalls werden Verbesserungsvorschläge in Hinblick auf Konstruktion bzw. Bauausführung der untersuchten Details gemacht.

13 2. Definition von Wärmebrücken 3 2 Definition von Wärmebrücken 2.1 Allgemeine Beschreibung von Wärmebrücken Wärmebrücken sind örtlich begrenzte Bereiche, und treten linien- und punktförmig in raumumschließenden Bauteilen auf. Sie bewirken zusätzliche Wärmeverluste und demzufolge tiefe raumseitige Oberflächentemperaturen. Als Wärmebrücken werden Bauteilzonen oder Bauteile bezeichnet, durch die mehr Wärme als durch angrenzende Zonen fließt. Aus dem höheren Wärmeabfluss resultiert eine weitere Absenkung der raumseitigen Oberflächentemperaturen im Wärmebrückenbereich. Der, über die Wärmebrücke, abfließende Wärmestrom ist umso höher, je größer die Temperaturdifferenz zwischen der Raumlufttemperatur und der Außenlufttemperatur ist. Wärmebrücken wirken sich nachteilig auf die Wohnhygiene (Schimmelpilzbildung), die Behaglichkeit und den Energieverbrauch aus. Bedingt durch unsachgemäße Ausführung, durch die vorgegebene Konstruktion, das Material und durch ihre Geometrie können Wärmebrücken auftreten. Diese Ursachen treten oft gleichzeitig auf und verstärken sich deshalb in ihrer Wirkung. Es werden geometrisch-, konstruktions- und materialbedingte Wärmebrücken, sowie Kombinationen aus ihnen, unterschieden.

14 2. Definition von Wärmebrücken Erscheinungsformen von Wärmebrücken Eine Gebäudeecke stellt eine geometrischbedingte Wärmebrücke dar. Die kühlere Außenwandfläche ist größer als die wärmere Innenwandfläche. Sogar unter Einhaltung der vorgeschriebenen Wärmedurchlasswiderstände ist die Gebäudeecke eine Wärmebrücke. Es ist jedoch bei einer ordnungsgemäßen Nutzung der Räume und mit ausreichender Fensterlüftung nicht mit Schäden bezüglich Tauwasserausfall und Schimmelpilz zu rechnen. verstärkter Wärmefluss Zeichenerklärung : Wärmefluss außen innen Bild Geometrischbedingte Wärmebrücke Konstruktionsbedingte Wärmebrücke werden durch die Schwächung der Außenwand, bedingt durch Decken, Installationsschlitze, Heizkörpernischen, Fensterlaibungen etc., verursacht. In diesen Bereichen kann durch die verringerte Dicke der Außenwand ein höherer Wärmestrom gegenüber der nicht geschwächten Wand stattfinden. außen innen Betondecke, durchgehend außen innen Bild Konstruktionsbedingte Wärmebrücke

15 2. Definition von Wärmebrücken 5 Materialbedingte Wärmebrücken z.b. Betonstützen im Mauerwerk, sind Bereiche bei Außenbauteilen, die einen geringeren Wärmedurchgangswiderstand aufweisen als angrenzende Bereiche. Dieses Erscheinungsbild kann auch der konstruktivbedingten Wärmebrücke zugeordnet werden. außen U G U B U G innen Gefach Wärmebrücke Gefach U-Wert: Temp.: U B größer U G innen größer außen Bild Materialbedingte Wärmebrücke Häufig treten Wärmebrücken auch in einer Kombination der oben genannten Einzelerscheinungen auf. Dies könnte z. B. eine Stahlbetonstütze im Mauerwerk sein. außen U G U B innen Bild Kombination aus konstruktions- und materialbedingter Wärmebrücke

16 2. Definition von Wärmebrücken 6 Allgemeine Planungsbeispiele zur Reduzierung von Wärmebrücken sind die Vermeidung stark gegliederter Baukörper sowie die wärmetechnische Trennung auskragender Bauteile (Balkonplatten, Attika, Tragkonsolen usw.) von angrenzenden beheizten Baukörpern. Weiterhin kann die Verarbeitung von durchgehenden Dämmstoffen, wie z.b. bei Wärmedämmverbundsysteme auf einer Außenwand oder bei einer Kellerwand mit Außenwanddämmung, das Auftreten einer Wärmebrücke verhindern. Je höher der Dämmstandard eines Gebäudes ist, umso mehr gewinnt der Aspekt der Wärmebrücke als Wärmeleck an Bedeutung. In hochgedämmten Gebäuden kann ein großer Anteil der auftretenden Transmissionswärmeverluste durch Wärmebrücken bedingt sein. Die weitgehende Ausschaltung von Wärmebrücken hat einen wichtigen Nebenaspekt, da der Niederschlag von Raumluftfeuchte in kalten Ecken, beispielsweise an Fensterlaibungen und Deckenanschlüssen, und damit die Entstehung von Schimmel und anderen Feuchteschäden zuverlässig verhindert wird. Aufgrund der starken Absenkung der raumseitigen Oberflächentemperatur kann die Taupunkttemperatur im Wärmebrückenbereich unterschritten werden, so dass dort die in der Raumluft enthaltene Feuchtigkeit kondensiert. Das anfallende Tauwasser in diesem Bereich führt zu einer zunehmenden Oberflächenfeuchte im Innenbereich der Außenwand. Kann die aufgenommene Feuchtigkeit nicht vollständig in den wärmeren Zeiträumen wieder abgegeben werden, so ergeben sich Feuchtigkeitsflecken und Schimmelpilzbefall. Feuchtigkeitsflecken an der Wandinnenseite führen zu Schäden an Tapeten, Verputzen und Holzoberflächen und zu einer bevorzugten Ablagerung von Staub. Staubablagerungen stellen einen geeigneten Nährboden für Schimmelpilze dar. An diesen feuchten Bereichen besteht die erhöhte Gefahr des Schimmelpilzbefalls. Schimmelpilze beeinträchtigen die Hygiene in den Wohnräumen und stellen eine gesundheitliche Gefährdung durch die in die Raumluft abgegebenen Pilzsporen dar. Das Auftreten allergischer Erkrankungen der Atemwege kann die Folge sein. Hat sich erst einmal Schimmelpilz angesiedelt, so reicht zur Aufrechterhaltung der Funktion des Pilzes eine geringe Feuchtigkeit aus.

17 2. Definition von Wärmebrücken 7 Die Feuchtigkeit im Mauerwerk ergibt, wegen der relativ hohen Wärmeleitfähigkeit von Wasser, eine weitere Absenkung der Oberflächentemperatur und führt damit zu einer Verschärfung der wärme- und feuchtetechnischen Situation. Bei starker Feuchtigkeit im Mauerwerk lässt sich selbst durch ständiges Heizen nur schwer ein behagliches Wohnklima herstellen. Durch sorgfältige Detailplanung, gewissenhafte Ausführung und stetige Verständigung der Handwerker untereinander können Wärmebrücken bei der Bauausführung vermieden werden. Bei Standardkonstruktionen kann das Beiblatt 2 der DIN 4108 [2] herangezogen werden, um Wärmebrücken zu vermeiden. Sollte die DIN keine ansprechenden Lösungsbeispiele beinhalten müssen einschlägige Wärmebrückenberechnungsprogramme wie z.b. ARGOS und DAVID [17] [18] herangezogen werden. Die wärmetechnische Erfassung von Wärmebrücken, d.h. die Berechnung der Wärmestromlinien und Isothermen im Wärmebrückenbereich, ist nur unter Zuhilfenahme von komplexen EDV-Programmen möglich. Einfache eindimensionale Berechnungen wie z.b. bei ebenen, großflächigen Wandbauteilen, deren wärmeschutztechnische Kennzeichnung durch die Angabe des leicht zu berechnenden U-Wertes gegeben ist, sind bei Wärmebrücken aufgrund des mehrdimensionalen Wärmestromverlaufs nur über Näherungsverfahren möglich. Die allgemeine Information über das thermische Verhalten von Wärmebrücken ist in den Wärmestromlinienverläufen und Isothermendarstellungen enthalten.

18 2. Definition von Wärmebrücken Wärmeschutztechnische Kenngrößen Eine zentrale Größe bei der Beschreibung der wärmeschutztechnischen Wirkung ebener Bauteile ist der Wärmedurchlasswiderstand R. Seine Bestimmung ist in DIN EN ISO 6946 [9], DIN [1] sowie in DIN EN ISO 7345 [6] geregelt. Er errechnet sich wie folgt: Wärmedurchlasswiderstand R in m²k/w R i = d/ ( 1 ) mit d Schichtdicke in m Wärmeleitfähigkeit in W/(mK) sowie dem Wärmedurchgangswiderstand R T bei mehrschichtigen Bauteilen R T = R si + R 1 + R R se ( 2 ) mit R se äußerer Wärmeübergangswiderstand in m²k/w R si R i innerer Wärmeübergangswiderstand in m²k/w Wärmeübergangswiderstand jeder Schicht in m²k/w Der Wärmedurchgangskoeffizient U errechnet sich aus dem Wärmedurchlasswiderstand gemäß der Gleichung ( 2 ). Siehe auch [1] [6] [9]. Wärmedurchgangskoeffizient U in W/(m²K) U = 1/ R T ( 3 ) Die infolge von Wärmebrückeneffekten zusätzlich auftretenden Transmissionswärmeverluste können gekennzeichnet werden durch Wärmebrückenverlustkoeffizienten, welche die Wärmebrückenverluste bei linienförmigen Wärmebrücken (Bezeichnung ) pro laufenden Meter bezogen auf 1 K Temperatur

19 2. Definition von Wärmebrücken 9 differenz angegeben. Die Einheit ist W/(mK). Die -Werte können nur mittels leistungsfähiger Computerprogrammen berechnet oder für zahlreiche in der Praxis auftretenden Fällen aus den Wärmebrückenatlas [11] und [12] entnommen werden. Wärmebrückenverlustkoeffizienten in W/(m*K) Temperaturen werden üblicherweise in C angegeben. Zur Kennzeichnung der raumseitigen Oberflächentemperatur ist dabei jeweils die Fixierung der Außenund der Innenlufttemperatur notwendig. Deshalb ist es praktischer, die raumseitige Oberflächentemperatur von Außenbauteilen mit Hilfe des Temperaturfaktors f gem. der folgender Definition zu beschreiben: Temperaturdifferenzverhältnis f [ - ] f Rsi si e ( 4 ) i e mit si raumseitige Oberflächentemperatur in C i Raumlufttemperatur in C e Außenlufttemperatur in C f = 1 entspricht der Raumlufttemperatur und f = 0 der Außenlufttemperatur Der Temperaturfaktor an der ungünstigsten Stelle muss die Mindestanforderung f 0,7 erfüllen, d.h., es ist eine raumseitige Oberflächentemperatur von Rsi si 10,6 C bei den in dieser Arbeit betrachteten Stellen einzuhalten. Berechnung dieses Wertes siehe unten.

20 2. Definition von Wärmebrücken 10 Eine eventuelle Berechnung der raumseitigen Oberflächentemperatur kann durch umstellen der Formel erfolgen: i e e * ( 5 ) si f Rsi Ein f-wert von 0,7 entspricht somit bei einer Raumlufttemperatur von 16 C und einer Außenlufttemperatur von 2 C einer Oberflächentemperatur von si , C 0,7 * 6 Zur Vermeidung von Tauwasserbildung auf raumseitigen Oberflächen muss die relative Luftfeuchte im Inneren eines Gebäudes folgender Bedingung genügen. 109,8 f * i 109,8 i e e 8,02 *100% ( 6 ) Dabei beinhaltet [%] relative Luftfeuchte Unter folgenden Bedingungen ergibt sich eine relative Luftfeuchte von 109,8 0,7 * 109, ,02 *100 70,34% Um Tauwasserbildung auf der raumseitigen Oberfläche zu vermeiden, muss die relative Luftfeuchte unter 70,4% liegen.

21 2. Definition von Wärmebrücken Energieeinsparverordnung - EnEV Ordnungsrechtliche Anforderungen werden an den Wärmeschutz von Gebäuden sowie an die Qualität der technischen Gebäudeausrüstung gestellt. Diese, in der Vergangenheit jeweils in der Wärmeschutzverordnung und der Heizungsanlagen- Verordnung getrennt behandelte Aspekte, werden nun Sinnvollerweise ganzheitlich betrachtet. Mit der Energieeinsparverordnung werden die Bilanzgrenzen zur Bewertung des Energiebedarfs für die Gebäudebeheizung gegenüber der Wärmeschutzverordnung wesentlich erweitert. Die kombinierte Betrachtung von baulichem Wärmeschutz und Anlagentechnik erlaubt eine Prognose für den durchschnittlichen Öl- bzw. Gasverbrauch. Eine objektive Bewertung von Gesamtsystemen wird möglich. EnEV Bauphysik Anlagentechnik DIN Anforderungen DIN Bild EnEV Anforderungen und Grundlagennormen Während die WschVO Anforderungen an die Höhe des Jahres-Heizwärmebedarfs stellt, wird in der EnEV künftig einen Grenzwert für den Jahres- Primärenergiebedarf festgelegt. Bei Wohngebäuden wird unter Berücksichtigung des Jahres-Heizwärmebedarfs, dies ist die Zielgröße der derzeitigen Wärmeschutzverordnung, und des Warmwasserwärmebedarfs sowie die Einbeziehung der Anlagentechnik für Heizung und Warmwasserbereitung der Heizenergiebedarf ausgewiesen. Neben den Anforderungen an den Primärenergiebedarf werden auch Bedingungen an die Gebäudedichtigkeit [4], den Mindestluftwechsel [10], den Mindestwärmeschutz [1], an Wärmebrücken [2], an Maßnahmen im Gebäudebestand und an die technische Gebäudeausrüstung gestellt [5].

22 2. Definition von Wärmebrücken 12 Die Ausgangsbasis zur Berechnung des Jahres-Primärenergiebedarfs stellt der Jahres-Heizwärmebedarfs dar, der gemäß den Rechenvorschriften der DIN V Berechnung des Jahres-Heizwärme- und des Jahres-Heizenergiebedarfs [3] ermittelt wird. Im Gegensatz zur bisherigen WschVO müssen künftig die Wärmeverluste infolge von Wärmebrücken bei der Ermittlung des Jahres-Heizwärmebedarfs berücksichtigt werden. Deshalb wird ihr Einfluss bei der Bestimmung der Transmissionswärmeverluste beachtet. Hierzu stehen dem Planer innerhalb der EnEV drei Alternativen zur Verfügung. Ohne gesonderten Nachweis von Wärmebrückenwirkungen. Pauschaler Wärmebrückenzuschlagskoeffizient U WB = 0,10 W/(m²K) gilt vereinfachend auf die gesamte wärmeübertragende Gebäudehüllfläche. Bei Detailkonstruktionen gemäß Beiblatt 2 der DIN 4108 [2]. Das Beiblatt 2 zur DIN 4108 enthält Planungs- und Ausführungsbeispiele zur Verminderung von Wärmebrückenwirkungen. Bei entsprechender Ausbildung der Konstruktionsdetails darf der pauschale Wärmebrückenverlustkoeffizient auf die gesamte Gebäudehüllfläche auf U WB = 0,05 W/(m²K) reduziert werden. H T = U i * A i * F x,i + U WB * A ( 7 ) mit H T U i spezifischer Transmissionswärmeverlust in W/K Wärmedurchgangskoeffizient in W/(m²K) A i Bauteilfläche in m² F x,i U WB Temperatur-Korrekturfaktor für Bauteile pauschaler spezifischer Wärmebrückenzuschlag in W/(m²K) A wärmetauschende Hüllfläche in m² Genaue Berechnung der Wärmebrücke gemäß DIN EN ISO ,1995 [7] und DIN EN ISO , 1999 [8].

23 2. Definition von Wärmebrücken 13 Der Wärmebrückenzuschlagskoeffizient U WB wird in Abhängigkeit von längenbezogenen Wärmebrückenverlustkoeffizienten berechnet. Die -Werte für Wärmebrückenausbildungen können hierbei aus Wärmebrückenkatalogen entnommen oder explizit berechnet werden. Die genaue Berechnung führt i.d.r. zu einer zusätzlichen Verringerung des U WB Wertes. H T * Ai * Fx, i i * li * F i ( 8 ) x U i, U WB mit l längenbezogener Wärmebrückenverlustkoeffizient in W/(mK) Länge des jeweiligen Bauteilanschlusses in m Wird die wärmetauschende Hüllfläche über die Außenmaße berechnet, so sind die außenmaßbezogene Wärmebrückeverlustkoeffizienten A heranzuziehen, während I Werte bei der Verwendung von Innenmaßen anzuwenden sind. Die EnEV geht von Außenmaßen aus.

24 3. Das Wärmebrückenprogramm ARGOS 14 3 Das Wärmebrückenprogramm ARGOS In diesem Kapitel soll eine Einführung in die Bedienung des Programms ARGOS [17] gegeben werden. Dies soll sich nicht als ausführliche Bedienungsanleitung verstehen und wird deshalb in seiner Ausführlichkeit knapp gehalten. Es werden die in der Diplomarbeit verwendeten Isothermen Darstellungen und ihr Entstehungsweg sowie ihre verschiedenen Darstellungsmöglichkeiten kurz und knapp umrissen. Das Programm ARGOS enthält Berechnungsverfahren zur - und f-wert Bestimmung nach Vorgabe der EN ISO Teil 1, Teil 2 [7], [8] und der DIN 4108 Teil 2 [1]. ARGOS ist ein zweidimensionales Wärmebrückenprogramm auf der Basis der Rechteckgeometrie zur Berechnung von linienförmigen Wärmebrücken. Dies entspricht nach EN ISO Teil1 [7] einem Verfahren der Klasse B. Die Klasse A gilt für dreidimensionale Wärmebrückenprogramme mit dem geforderten Nachweis der Rechengenauigkeit. Zur Modellierung von linienförmigen zweidimensionalen Wärmebrücken empfiehlt es sich, die Norm EN ISO Teil2 [8] als Hilfe für die Eingabe der notwendigen geometrischen Abmessungen heranzuziehen. Um einen ersten Überblick zu Wärmebrückenberechnung zu bekommen und auch als Plausibilitätsprüfung zu eigenen Berechnungen empfiehlt sich der Wärmebrückenatlas [11] und [12]. Hinweise, Vollversionen, Hilfen, Programmbeschreibungen und Demoversionen sind auf der e.ver-cd und unter [17] zu finden.

25 3. Das Wärmebrückenprogramm ARGOS 15 Nachfolgend wird anhand von Beispielen die programmtechnische Eingabe beschrieben. Bei der Neuerstellung einer Wärmebrücke mit diesem Programm stehen zwei Eingabemasken zur Verfügung, die nacheinander abgearbeitet werden müssen. In der ersten Eingabemaske kann eine Wärmebrücke neu erstellt und in der zweiten ihre Darstellung in der Berechnung verändert werden. Diese Masken werden als Eingabeoberfläche und Berechnungsoberfläche bezeichnet. In der Eingabeoberfläche wird das Wärmebrückendetail mit Hilfe von Baustoff-, Konstruktions- und Wärmeübergangselementen erzeugt und danach wird die Berechnung gestartet. In der Berechnungsoberfläche kann das Wärmebrückendetail näher untersucht, Temperaturen und Wärmeströme angezeigt, Isothermen dargestellt, und dann die notwendigen Temperaturknoten oder Wärmeströme angegeben werden. Das Programm springt dann wieder auf die Eingabeoberfläche zurück, auf welcher dann der - Wert oder f-wert endgültig errechnet wird. Ein Ausdruck des Nachweises mit den zugehörigen graphischen Darstellungen ist möglich. Die Eingabeoberfläche erscheint automatisch nach dem Starten des Programms. In der Eingabeoberfläche ist ein kleineres Fenster enthalten, welches als Projekt tituliert ist. In diesem Fenster Projekt finden sich die Button Wärmebrücken, Projektkonstruktionen, Zusatzbaustoffe und Wärmeübergänge. Bild 3.1 Eingabeoberfläche Bild 3.2 Fenster Projekt Unter dem Button Wärmebrücke wird der neuen Wärmebrückenzeichnung ein Name zugewiesen, und unter Projektkonstruktionen können schon anderweitig erstellte Details eingeflochten werden. Unter Zusatzstoffe werden von einer

26 3. Das Wärmebrückenprogramm ARGOS 16 Datenbank, welche sich Neuer Baustoff nennt, Baustoffe die nach drücken des Buttons NEU angezeigt werden, ausgewählt. Unter Wärmeübergänge werden die Randbedingungen d.h. die Lufttemperaturen und die Wärmeübergänge definiert. Bild 3.3 Neuer Baustoff - Fenster Sind nun Baustoffe und Luftschichten bestimmt, so können sie über EINFÜGEN in der Eingabeoberfläche als Bilder dargestellt werden. Hier liegen sie ungeordnet übereinander und müssen nun noch an die richtige Stelle positioniert und miteinander verbunden werden. Bild 3.4 ungeordnete Eingabeoberfläche Geschossdecke Bild 3.5 modellierte Wärmebrücke Geschossdecke Dafür hält ARGOS ein Menü bereit welches sich Verbinden mit... nennt. Mit Hilfe der rechten Maustaste und gleichzeitiges Berühren des Baustoffes oder der Luftschicht kann dieses aufgerufen werden. Mit diesen Hilfsmenüs kann nun die Wärmebrücke auf der Eingabeoberfläche durch verschieben, verbinden,

27 3. Das Wärmebrückenprogramm ARGOS 17 vergrößern und verkleinern der einzelnen Baustoffe und Luftschichten zusammensetzt werden. Bild 3.6 Menü rechte Maustaste Bild 3.7 Menü Verbinden mit... Nach der Wärmebrückenmodellierung wird die Wärmebrückenberechnung gestartet. Durch Anklicken des Menüs Berechnen und Wärmebrücke psi-wert oder Oberflächentemp f-wert in der Eingabeoberfläche wird die Berechnungsoberfläche aktiviert. In der Berechnungsoberfläche erscheint nun die in der Eingabeoberfläche erstellte Wärmebrücke, einschließlich der Luftschichten, die wie in Bild 3.8 zu sehen ist hier als Dreiecke dargestellt werden. Bild 3.8 Berechnungsoberfläche Bild 3.9 Menü Berechnungen / Isothermen

28 3. Das Wärmebrückenprogramm ARGOS 18 In der Berechnungsoberfläche besteht nun die Möglichkeit sich die Wärmebrücke in verschiedenen Formen darstellen zu lassen. Dies geschieht über die Menüpunkte Berechnen, dann Isotherme und danach die Auswahl der gewünschten Darstellungsform automatisch, kontinuierlich sowie auswählen. Bei der automatischen Auswahl werden alle Isothermen von 20 C bis +40 C in 4 C Schritten dargestellt. Damit sind sehr schnell kritische Bereiche durch den Linienverlauf der Isothermen erkennbar. Die Farbe der Linien kennzeichnet die Temperatur. Bild 3.10 Linien (automatisch) Isothermen Wandecke Bei der kontinuierlichen Darstellung werden die Isothermen in 1/100 C Schritten berechnet und dargestellt. Wie in Bild 3.11 zu sehen ist, bildet sich ein Farbverlauf. Bild 3.11 Kontinuierliche Isothermen Wandecke

29 3. Das Wärmebrückenprogramm ARGOS 19 Die Ausgabe der graphischen Ergebnisse und Isothermen geschieht unter dem Menüpunkt Graphik bearbeiten. So kann jede dargestellt Graphik als Bitmap- Datei*.bmp kopiert, gespeichert und ausgedruckt werden. Damit ist ein Import in andere Programme ( z.b. Word o.ä. ) möglich. Die in der Diplomarbeit verwendeten Darstellungen wurden in Corel Photo Paint nachbearbeitet. Bild 3.12 Nachbearbeitete Isothermen Wandecke Bei der Ermittlung des -Wertes, dem Wärmebrückenverlustkoeffizient, wird das Wärmebrückendetail wie oben erklärt modelliert. Bevor die Berechnung gestartet werden kann, müssen die Wärmeübergangswiderstände der Luftschichten festgelegt werden. Die Eingabe der Wärmeübergangswiderstände geschieht über das Eingabefeld welches durch Berühren, der jeweiligen Luftschicht mit dem Mauszeiger und gleichzeitiges Drücken der rechten Maustaste erscheint, siehe Bild 3.6. Durch drücken von Eigenschaften erscheint die Eingabemaske Eigenschaften. Diese Eingabemaske unterteilt sich in Allgemein und Daten. Zur Eintragung der Wärmeübergangswiderstände wird die Eingabemaske der Daten benötigt. Die Eingabemaske unterteilt sich in eine linke Hälfte, in welcher die Zahlenwerte eingegeben werden können und in eine rechte Hälfte, die mit Hinweis

30 3. Das Wärmebrückenprogramm ARGOS 20 überschrieben ist. In Hinweise sind die Randbedingungen von Psi-Wert und f- Wert beschrieben, welche zur Berechnung der einzelnen Werte in die linke Hälfte eingetragen werden müssen. Bild 3.13 Eingabemaske Eigenschaften / Wärmeübergangswiderstände der Geschossdecke Nach der Modellierung wird unter dem Menüpunkt Berechnen die Auswahl Psi- Wert (Wärmebrücke) angewählt, womit die Berechnung startet. In dem durch die Berechnung aufgerufenen Berechnungsmodul Oberfläche ist es möglich, durch das direkte Anklicken in der graphischen Darstellung auf einzelne Knoten, deren Knoteninformationen in der Statuszeile abzulesen.

31 3. Das Wärmebrückenprogramm ARGOS 21 Zur Berechnung ist nun noch die Summe der Teilwärmeströme festzulegen. Dies geschieht hier am Beispiel der Geschossdecke. Die Festlegung geschieht ebenfalls in der Oberfläche Berechnungsmodul. Unter Menüpunkt Berechnen erscheint Wärmebrücke psi-wert und darunter Summe Teilwärmeströme. Es ist ratsam, die weiteren Berechnungen in normierter Darstellung durchzuführen, damit alle Wärmeübergänge gefunden werden. Knoten 1 Knoten 2 Bild 3.14 Normierte Darstellung der Geschossdecke von Bild 3.8 zur -Wert Bestimmung Es ist nun die Summe der Teilwärmeströme zu bilden. Die Summe bildet sich aus Knoten 1 und Knoten 2. Nach Anwahl des ersten Wärmeübergangs Knoten 1 wird der Wärmeübergangsknoten durch einen blauen Punkt gekennzeichnet und ein Wärmestrom von 2,22 W in der Statuszeile angezeigt. Durch Betätigen des Button Festlegung 1. Knoten wird der ausgewählte Knoten in die Berechnung aufgenommen. Nach Anwahl des zweiten Wärmeübergangs Knoten 2 wird ein Wärmestrom von 7,63 W und ein Gesamtwärmestrom von 9,85 = 7,63 + 2,22 W angezeigt. Hier zeigt sich der Vorteil der normierten Darstellung, da der zweite Knoten in der Bauteildarstellung graphisch kaum zu erkennen ist, siehe Bild 3.8.

32 3. Das Wärmebrückenprogramm ARGOS 22 Die Berechnungsoberfläche verschwindet und die Eingabeoberfläche mit dem Fenster Berechnung Psi-Wert (Wärmestrom) erscheint. In der Berechnungsmaske für den Wärmebrückenverlustkoeffizienten wird dann zuerst die Außentemperatur angewählt. Jetzt kann der Leitwert durch Anklicken des Button mit Doppelpfeil bestimmt werden. Hier im Beispiel Geschossdecke ergibt sich ein Leitwert von L = 0,394 = 9,85/(20- (-5)) W/(mK). Um den längenbezogenen Wärmebrückenverlustkoeffizient -Wert zu berechnen, muss nun im nächsten Schritt der U-Wert des Bauteils vom Leitwert abgezogen werden. In diesem Fall der U-Wert der Außenwand. Dazu können die notwendigen Schichten in der Liste Baustoffe ausgewählt werden. Mit der STRG- Taste können mehrere Baustoffe zusammen ausgewählt werden. Mit Auswahl eines Baustoffes wird dieser grau hinterlegt. Eine gute Orientierung bieten auch die Positionsangaben x und y. Bild 3.15 Berechnungsmaske für Wärmebrückenverlustkoeffizient Geschossdecke

33 3. Das Wärmebrückenprogramm ARGOS 23 Nach der Eingabe der Baustoffe und durch Bestätigen dieser Angaben mit der Doppelpfeil Taste erscheint ein neues Fenster, welches zur Eingabe der relevanten Bauteillänge auffordert. Hier wird über den Innen- oder Außenmaßbezug des -Wertes entschieden. Mit der Eingabe von 1m wird im Beispiel der Innenmaßbezug gewählt. Als Erleichterung sollten die Innenluft Rechtecke bei der Modellierung mit den Abmaßen 1m*1m gewählt werden, so ergeben sich dann bei der Angabe der relevanten Bauteillänge keine Unklarheiten über das Eintragen der Länge in die Eingabemaske. Bild 3.16 Fenster zur Eingabe der relevanten Bauteillänge der Geschossdecke Nach Eingabe der Länge und Bestätigen durch OK wird die Berechnung des U- Wert der Außenwand gestartet. Wie in Bild 3.15 zu sehen ist, ergibt sich ein Wärmedurchgangskoeffizient U-Wert der Außenwand Geschossdecke von 0,327 W/(m²K) und einen Wärmebrückenverlustkoeffizient von 0,067 W/(mK) der sich aus nachfolgender Gleichung ergibt = L U * l ( 9 ) mit L = Leitwert in W/(mK) l = Länge in m U = Wärmedurchgangskoeffizient inw/(m²k)

34 3. Das Wärmebrückenprogramm ARGOS 24 Bei der Erklärung der f-werte wird vom gleichen Beispiel Geschossdecke ausgegangen wie bei der Berechnung der -Werte. Wichtig bei der Berechnung der f-werte ist die Umstellung der Wärmeübergangswiderstände der Innentemperatur auf R si = 0,25 m²k/w. Diese Wärmeübergangswiderstände werden in der Eingabemaske Eigenschaften eingetragen, wie schon in Bild 3.13 dargestellt. Nach Anwahl von Menüpunkt Berechnen und von f-wert ( Oberflächentemperatur) wird die Berechnungsoberfläche geöffnet. Die Konvergenz ist auf 0,02 einzustellen und die Berechnung erneut mit Klicken auf die normierte Graphikdarstellung zu starten. Die normierte Darstellung ist bei der Oberflächentemperaturbestimmung sehr vorteilhaft, da dünne Schichten und Kanten besser dargestellt werden. In dem Fenster Berechnungsmodul ist nun Berechnungen und dann Oberflächentemp. f-wert anzuwählen. Es erscheint der Button Festlegen. Hier wird der kritische Temperaturknoten an der Bauteiloberfläche ausgewählt. Im Beispiel Geschossdecke, Bild 3.17, ist es der Schnittpunkt von Deckenunterkante und der Wand. Nach Betätigen des Buttons Festlegen wird dieser Knoten, sofern es ein Oberflächentemperatur Knoten ist, mit einem blauen Punkt gekennzeichnet. Kritischer Temperaturknoten Bild 3.17 Normierte Darstellung der Geschossdecke von Bild 3.8 zur f-werte Bestimmung

35 3. Das Wärmebrückenprogramm ARGOS 25 Die Oberflächentemperatur im Beispiel Geschossdecke beträgt an diesem Punkt 18,26 C. Weitere Oberflächentemperaturknoten können durch einfaches Anklicken mit dem Mauszeiger direkt in der graphischen Darstellung ausgewählt und deren Knoteninformationen in der Statuszeile abgelesen werden. Mit Schließen wird die Berechnung fortgesetzt, und das Fenster Berechnung f- Wert (Oberflächentemperatur) öffnet sich. Die f-wert Berechnung erfolgt mit der Zuordnung der Innen- und Außenlufttemperaturen. Nachdem die entsprechenden Temperaturen angewählt wurden, erfolgt die Berechnung durch Anwahl der Doppelpfeiltaste. Es werden die Oberflächentemperatur von 18,26 C und ein f-wert von 0,93 als Ergebnis ausgegeben. Bild 3.18 Eingabemaske der Lufttemperaturen Geschossdecke Wird ein f-wert ermittelt der kleiner als die Anforderungen der DIN , also 0,7 ist so wird das unten gezeigte Fenster als Hinweis eingeblendet. Bild 3.19 Fenster bei Tauwassergefahr

36 3. Das Wärmebrückenprogramm ARGOS 26 Bei der Berechnung der - und f-werte liegen folgende Randbedingungen zu Grunde. - Innenlufttemperatur i = 20 C - Relative Luftfeuchte innen i = 50% - Außenlufttemperatur e = -5 C - Wärmeübergangswiderstand, innen R si = 0,25 m²k/w - Wärmeübergangswiderstand, außen R se = 0,04 m²k/w Bei Wärmebrücken in Bauteilen, die an das Erdreich oder an unbeheizte Kellerräume und Pufferzonen grenzen, muss von den in untenstehender Tabelle angegebenen Randbedingungen ausgegangen werden. Tabelle 3.1: Temperaturrandbedingungen zur Wärmebrückenberechnung Gebäudeteil bzw. Umgebung Temperatur in C Keller 10 Erdreich 10 Unbeheizte Pufferzone 10 Unbeheizter Dachraum -5

37 4. Grundlagen der Thermographie 27 4 Grundlagen der Thermographie Die Thermographie ist eine anerkannte Methode zur berührungslosen Messung von Oberflächentemperaturen. Sie wird vor allem zur Auffindung von thermischen Schwachstellen genutzt, die an Objekten als solche erkannt werden und zu Verlusten führen. Bei diesem Verfahren erfolgt ein großflächiges Abtasten von Oberflächen. In der Gebäudethermographie gibt es mehrere typische Anwendungsfälle, beispielsweise zum Nachweis von Leitungen und Leckstellen ( heiße Flecken ) unter versiegelten Oberflächen, zur Überprüfung der Wärmeisolierung, als Vorbereitung von Sanierungsmaßnahmen, Wärmelecks in klimatisierten Gebäuden, zur Darstellung der Durchfeuchtung von Mauerwerk (Verdunstungskälte) und zur Suche nach versteckten Strukturen wie z.b. Fachwerkbalken, Rohr- und Stromleitungen usw. Das Wärmebild gibt die Temperaturverteilung der untersuchten Oberfläche wieder. Durch Analyse der Oberflächentemperaturverteilung werden nicht sichtbare Zustände erkannt. Die IR-Thermographie beruht darauf, dass jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts (0 K oder 273 C) eine elektromagnetische Strahlung (Wärmestrahlung) abstrahlt, die jenseits des sichtbaren Lichts im elektromagnetischen Spektrum, Wellenbereich 0,7 Mikrometer, liegt [16]. Die Thermographie nutzt verschiedene Wellenbereiche: das Kurzwellenband im nahen Infrarot mit 2-5 Mikrometer (SW) und das Langwellenband im fernen Infrarot mit 8-12 Mikrometer (LW). Die einfallende IR-Strahlung wird von einem IR-Detektor in elektrische Signale umgewandelt. Während des Betriebs müssen die Detektoren auf eine bestimmte Arbeitstemperatur gekühlt werden. Die typische Betriebstemperatur für die SW (Kurzwellen)-Detektoren liegen im Temperaturbereich 70 C bis 100 C. Für die LW (Langwellen)-Detektoren werden 170 C bis 200 C benötigt [17]. Die Detektorenkühlung wird mit Flüssiggas, meist Flüssigstickstoff oder mit Hilfe einer Kältemaschine (Stirling- Kühlung) durchgeführt. Ein Analog-Digital-Wandler tastet die vom Detektor erzeugten elektrischen Signale ab und wandelt sie in Bildpunkte (Pixel) um. Über einen Rechner wird dem Strahlungswert (bei jedem Pixel) ein Temperaturwert zugeordnet. Gleichzeitig wird die Temperatur farbig kodiert und als Wärmebild

38 4. Grundlagen der Thermographie 28 dargestellt. Das Wärmebild besteht aus 256 Farben, und es können verschiedene Farbskalen gewählt werden. Der Messbereich erstreckt sich von 20 C bis 2000 C. Die Abspeicherung von Wärmebildern wird digital vorgenommen. Die Auswertung der Wärmebilder erfolgt entweder vor Ort oder am PC. Eine spezielle Software ermöglicht dabei umfangreiche Untersuchungsmöglichkeiten, z.b. die nachträgliche Anpassung von Messparametern. Die Messungen werden bevorzugt in den kalten Jahreszeiten durchgeführt. Idealerweise herrscht zwischen dem Gebäudeinneren und der Außentemperatur eine Temperaturdifferenz von mindestens 15 C [17]. Um Fehlmessungen durch Sonnenstrahlen zu vermeiden, sollten die Messungen in den frühen Morgenstunden durchgeführt werden. Ein besonderes Augenmerk ist auf verglaste Flächen zu richten. Durch die physikalischen Eigenschaften von Glas ist der Wärmedurchgang durch die Fenster nur mit zusätzlichen Maßnahmen, wie dem aufwendigen Differenzmessverfahren, feststellbar. Glas wirkt für die Wärmestrahlung (durchaus beabsichtigt) ähnlich wie ein Spiegel. Soll dieser Spiegeleffekt unterbunden werden, so muss die Scheibe mit einer Kunststofffolie beklebt oder mit Graphitspray besprüht werden. Bild 4.1 zeigt eine Realbildaufnahme von einer Raumecke mit Fenster und einem Handlauf. Bild 4.2 zeigt die Thermographie dieser Raumecke, in der sehr gut eine Anomalie in der Verteilung der Isothermen unterhalb des Fensters sichtbar wird. Bild 4.1Realbildaufnahme [21] Bild 4.2 Thermographie [21]

39 5. Vorgehensweise 29 5 Vorgehensweise Dieses Kapitel soll die Vorgehensweise der mir gestellten Aufgabe verdeutlichen und deren Ablauf erklären. Im Rahmen des Neubau eines Bürogebäudes, hierbei handelt es sich um das Gebäude des Zentrums für Umweltbewusstes Bau (ZUB), Gottschalkstraße 28 a in Kassel, wurden während der Bauphase als auch nach Fertigstellung des Bauwerkes umfangreiche Thermographien und Realbildaufnahmen gemacht. In Hinblick auf das neu errichtete Bürogebäude, welches als Niedrigenergiehaus konzipiert wurde, stellte sich nun die Frage, ob die in den Thermographieaufnahmen erkennbaren Wärmebrücken auf Mängel im Zuge der Planung entstanden oder auf die Ausführung des Baus zurückzuführen sind. Zur näheren Untersuchung wurden Wärmebrückenaufnahmen ausgewählt, welche von ihrem Erscheinungsbild bzw. von ihrem Erscheinungsort nicht einer normalen einsichtigen Erklärung folgten. Auch nach der Begehung der ausgesuchten Örtlichkeiten konnten keine sofort sichtbaren Baufehler festgestellt werden. Entweder wurden diese schon behoben oder sie liegen weiterhin im verborgenen, z.b. hinter Verkleidungen oder sie sind mit Erde angeschüttet. Unter zu Hilfenahme des Wärmebrückenberechnungsprogramms Argos [17] bzw. David [18] und der Architektenpläne wurde untersucht, ob die Messungen (Thermographie) gegenüber den Rechnungen (Isothermengraphik) Abweichungen aufweisen. Diese Programme erlauben, nach Eingabe der Konstruktionsdetails der zu untersuchenden Stelle, gemäß den Plänen, eine Ergebnisausgabe in Form einer Graphik, welche wie die Thermographie Aufnahme Isothermen ausweist. Isotherme sind Linien bzw. Flächen welche die gleiche Temperatur haben. Nach Vergleich der Thermographie mit den Berechnungsergebnissen konnte nun die Ursache der Wärmebrücke festgestellt werden. Sollten sich Messung und Rechnung sehr ähnlich sein, so kann davon ausgegangen werden, dass im Zuge der Planung nicht nachhaltig genug auf die Beachtung des Wärmeschutzes eingegangen wurde. Sollten sich Messung und Rechnung stark unterscheiden, so ist davon auszugehen, dass Baufehler im Zuge der Bauausführung vorliegen z.b.

40 5. Vorgehensweise 30 Nichtverwendung des ausgeschriebene Dämmstoff oder dessen Nichteinbau. Diese Baufehler sind unter den Absätzen Fehlstellensimulation des jeweiligen Kapitels zu finden. Hier wurde durch den bewussten Einbau einer Fehlstelle, meist im Dämmmaterial versucht, einen Isothermenverlauf zu simulieren, welcher der Thermographie nahe kommt. Es wurde aber auch die ungestörte, ideale Geometrie berechnet, um als Vergleich zur Fehlstellenberechnung einen Bezug zu haben. Die Wärmebrückenprogramme Argos und David bieten die Möglichkeit durch einfaches Anklicken von Wärmeknoten in der graphischen Darstellung deren Temperatur abzulesen. In den ungestörten Querschnitten und der Fehlstellensimulation der einzelnen Wärmebrücken wurden die -Wärmeströme in Watt errechnet, um beide Darstellungen besser vergleichen und den Wärmeverlust vom gestörten zum ungestörten Bereich angeben zu können. Die -Wärmeströme beider Darstellungen wurden miteinander verglichen und ein Wert errechnet der den Wärmeverlust des gestörten Bereich zum ungestörten Bereich in Watt bzw. pro laufenden Meter ungestörte Wand ausdrückt. Weiterhin wurden die U- und f-werte errechnet. Den Berechnungen wurde eine Innenlufttemperatur i von 16 C und eine Außenlufttemperatur von e von 2 C zu Grunde gelegt. Innen- und Außenlufttemperatur wurden am Tag der Thermographie Aufnahmen gemessen. Nach Erkennung der Wärmebrücken, ihrer Berechnung und Feststellung der Fehlerquelle wird eine Verbesserung dieser Fehlstelle vorgeschlagen, die sich auf die gängige einschlägige Literatur stützt und sich mit Hilfe der Wärmebrückenberechnungsprogramme auf die Einhaltung der Vorschriften nach DIN 4108 Teil 2 [1] bezieht.

41 6. Beschreibung des ZUB 31 6 Beschreibung des ZUB Das Zentrum für Umweltbewusstes Bauen e.v. ( ZUB ) wurde im Oktober 1998 von drei Fachgebieten der Universität Gesamthochschule Kassel, Prof. Dr.-Ing. Gerd Hauser (Bauphysik), Prof.- Dr.-Ing. Gerhard Hausladen (Technische Gebäudeausrüstung) und Prof. Dr.-Ing. Gernot Minke (Experimentelles Bauen), deren Leiter den Vorstand bilden, aus der Taufe gehoben. Schwerpunkt des Vereins ist die Forschung im Bereich des umweltbewussten Bauens. Aus diesem Grund wurde auch das gleichnamige Gebäude, welches auch den Verein beherbergt, in Kooperation dieser drei Fachgebiete errichtet. Das ZUB als Gebäude verkörpert den Gedanken des Vereins und ist als Demonstrations- und Forschungsobjekt konzipiert. Die Idee der Gründer war es, eine Schnittstelle für Forschung, Lehre und Praxis zu schaffen. Der Neubau des ZUB wurde auf dem Gelände der Universität als Anbau an das Kolben-Seeger Gebäude realisiert. Im Februar 2000 wurde mit dem Rohbauarbeiten begonnen, am 12. Juli 2000 wurde das Richtfest gefeiert und am 27. April 2001 konnte der Neubau eröffnet werden. Die Konzipierung des Gebäudes sollte nicht nur die Eigenschaften eines Niedrigenergiehauses beinhalten, sondern auch gleichzeitig als Forschungsobjekt dienen. Die Fassadenelemente im Experimentalbereich sind komplett demontierbar und durch eine neue Fassade ersetzbar. So können Fassadenkonstruktionen unter wechselnden raumseitigen Bedingungen untersucht werden. Das zentrale Element der haustechnischen Anlage sind die Thermoaktiven Decken, die wahlweise zur Beheizung oder Kühlung der Räume genutzt werden können. Sie sind an die Fernwärmeübergabestation des Kolben- Seeger Gebäudes angeschlossen. Die Belüftung der Räume geschieht über eine mechanische Lüftungsanlage, welche mit einem Kreuzwärmetauscher ausgestattet ist, der durch Entzug der Abluftwärme und aus dieser gewonnenen