Publikation des LIW Rosenheim. Einfluss von unterschiedlichen Sprossenkonstruktionen auf den Wärmedurchgang von Fenstern

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1 Publikation des LIW Rosenheim Dipl.-Ing. (FH) Hans-Jürgen Hartmann (ift Rosenheim) Dipl.-Ing. (FH) Konrad Huber (ift Rosenheim) Dipl.-Phys. Norbert Sack (ift Rosenheim) Dipl.-Ing. (FH) Hans Froelich (freier Mitarbeiter des ift Rosenheim) Einfluss von unterschiedlichen Sprossenkonstruktionen auf den Wärmedurchgang von Fenstern Seite 1 von 15

2 Einfluss von Sprossenkonstruktionen auf den Wärmedurchgang von Fenstern 1 Einleitung Die Wärmedurchgangskoeffizienten von Fensterkonstruktionen werden bestimmt durch die Wärmedurchgangskoeffizienten und Flächenanteile der Einzelbauteile (Rahmen, Verglasung, etc.). Die derzeit gültigen nationalen Regelwerke bieten zwei Möglichkeiten, die U F -Werte von Fenstern nachzuweisen. Der Nachweis kann entweder nach DIN V Tabelle 2 [1] oder durch eine Prüfung nach DIN geführt werden. Grundlage für die Ermittlung der Rechenwerte U F von Fenstern nach DIN V ist die Einstufung der Rahmenprofile in eine Rahmenmaterialgruppe sowie die Festlegung der Rechenwerte der Verglasungen. Die Einstufung der Rahmenprofile in die Rahmenmaterialgruppen erfolgt aufgrund der in DIN V festgelegten Konstruktionskriterien oder durch Prüfungen nach DIN Die Festlegung der Rechenwerte U V von Mehrscheiben- Isoliergläser erfolgt nach DIN V oder nach den in der Bauregelliste festgelegten Verfahren auf der Grundlage von Prüfungen nach DIN bzw. von Berechnungen nach DIN EN 673. Bei der Ermittlung der Rechenwerte U F von Fenstern nach DIN V wird der Einfluss von Sprossenkonstruktionen auf den Wärmedurchgang nicht berücksichtigt, d.h. Fenstern mit bzw. ohne Sprosse wird der gleiche U F -Wert zugeordnet. Der Einfluss von Sprossenkonstruktionen auf den Wärmedurchgang von Fenstern kann daher mit nationalen Nachweisverfahren nur durch Prüfungen nach DIN ermittelt werden. Die Ergebnisse gelten für die geprüften Kombinationen von Rahmen- / Sprossenprofilen und den Verglasungstyp. Mit Einführung der europäischen Normen für die Ermittlung der U w -Werte von Fenstern kann der Einfluss von Sprossenkonstruktionen auf den Wärmedurchgang entweder durch Prüfungen nach DIN EN ISO oder durch Berechnungen nach DIN EN ISO ermittelt werden. Alternativ dazu kann, wie in der Neufassung der DIN V festgelegt, bei der Ermittlung der Bemessungswerte für Wärmedurchgangskoeffizienten U w,bw von Fenstern der Einfluss von Sprossen durch Korrekturzuschläge berücksichtigt werden [2]. Seite 2 von 15

3 Im Rahmen eines Forschungsprojektes [3] am ift Rosenheim wurde der Einfluss von unterschiedlichen Sprossenkonstruktionen auf den Wärmedurchgang von Fenstern durch Berechnung mit einem Finite Differenzen Programm untersucht. Zur Validierung der Berechnungen wurden für ausgewählte Sprossenkonstruktionen Prüfungen durchgeführt. Seite 3 von 15

4 Einfluss von Sprossenkonstruktionen auf den Wärmedurchgang von Fenstern 2 Berechnungsmethoden Grundlage für die Berechnung des wärmetechnischen Verhaltens von Sprossenkonstruktionen sind europäische Regelwerke. An dieser Stelle sei ausdrücklich daraufhingewiesen, dass die Berechnungen nach einer Vornorm durchgeführt worden sind. Änderungen im Normentwurf können zu Änderungen in den Ergebnissen der Berechnungen führen, die grundsätzlichen Aussagen bleiben aber unverändert. Die rechnerische Ermittlung des Einflusses von Sprossenkonstruktionen auf den Wärmedurchgang von Fenstern kann nach zwei verschiedenen Methoden, die nachfolgend beschrieben werden, erfolgen. 2.1 Berechnung nach pren Bei der Berechnung nach pren [4] wird der U f -Wert der Sprosse (nachfolgend U f,sprosse -Wert genannt) (Bild 1) und der Ψ g -Wert für den Randverbund des Isolierglases im Sprossenprofil (nachfolgend Ψ g,sprosse -Wert genannt) (Bild 2) ermittelt. 2D f, Sprosse f,sprosse f p bp (1) U b = L U 2 b f,sprosse b p sichtbare Projektion des Sprossenprofils in m sichtbare Breite des Paneels in m U f,sprosse Wärmedurchgangskoeffizient des Sprossenprofils in W/(m 2 K) U p Wärmedurchgangskoeffizient des Paneels in W/(m 2 K) 2D L f zweidimensionaler thermischer Leitwert in W/(m K) Der Ψ g,sprosse -Wert, der den Einfluss des Randverbundes des Isolierglases im Sprossenprofil beschreibt, wird mit Hilfe des U f,sprosse -Wertes nach Gleichung (2) berechnet: 2D (2) Ψ g,sprosse = L U f,sprosse bf,sprosse U g bg 2 Seite 4 von 15

5 Dämmstoffpaneel bp b f,sprosse bp Bild 1 Sprossenprofil mit Dämmstoffpaneel zur Ermittlung des U f,sprosse -Wertes. Randverbund Isolierglas bg b f,sprosse bg Bild 2 Sprossenprofil mit Isolierglas zur Ermittlung des Ψ g,sprosse -Wertes. Der U w -Wert eines Fensters kann nach DIN EN ISO [5] aus den Wärmedurchgangskoeffizienten und Flächenanteilen von Rahmen und Verglasung berechnet werden. Der Einfluss des Randverbundes des Mehrscheiben-Isolierglases wird durch einen längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten Ψ g berücksichtigt (3). (3) U w = A g U g + Af Uf Ag + A f + l g Ψg U w Wärmedurchgangskoeffizient des Fensters in W/(m 2 K) U f Wärmedurchgangskoeffizient des Rahmens in W/(m 2 K) U g Wärmedurchgangskoeffizient der Verglasung in W/(m 2 K) A f Fläche des Rahmens in m 2 Seite 5 von 15

6 Einfluss von Sprossenkonstruktionen auf den Wärmedurchgang von Fenstern A g Fläche der Verglasung in m 2 Ψ g l g längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient in W/(m K) Länge des Abstandhalters der Verglasung in m Für die Berechnung des U w -Wertes eines Fensters mit Sprosse wird Gleichung (3) um einen Term erweitert, der die nach pren ermittelten Wärmedurchgangskoeffizienten für die Sprossenkonstruktion enthält: (4) Uw, Sprosse = Ag U g + Af Uf + lg Ψg + A Ag + A f, Sprosse f + U A f, Sprosse f, Sprosse + l g, Sprosse Ψ g, Sprosse Aus Gleichung (4) kann der Einfluss der Sprosse auf den Wärmedurchgang des Fensters berechnet werden: (5) U w, Sprosse A f, Sprosse ( U f, Sprosse A Ug) + l g, Sprosse g + Af + Af, Sprosse Ψ g, Sprosse A f,sprosse Fläche des Sprossenprofils in m 2 A g Fläche der Verglasung ohne Fläche des Sprossenprofils in m 2 U f,sprosse Wärmedurchgangskoeffizient des Sprossenprofils in W/(m 2 K) Ψ g,sprosse längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient für den Randverbund im Sprossenprofil in W/(m K) Länge des Randverbundes im Sprossenprofil in m l g,sprosse 2.2 Ermittlung eines längenbezogenen Wärmdurchgangskoeffizienten Die Berechnung des längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten (Ψ Sprosse) für eine Sprossenkonstruktion erfolgt in Anlehnung an die Berechnung des Ψ g -Wertes für das Randverbundsystem eines Mehrscheiben-Isolierglases nach pren Dabei wird jedoch nicht der U f,sprosse -Wert des Sprossenprofils und der Ψ g,sprosse -Wert für den Randverbund im Sprossenprofil ermittelt, sondern ein längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient Ψ Sprosse, der den Wärmedurchgang über die gesamte Sprossenkonstruktion beschreibt. Der Vorteil dieses Berechnungsverfahrens ist der geringere Arbeitsaufwand. Als Referenzobjekt wird ein Mehrscheiben-Isolierglas herangezogen, dessen Abmessungen gleich groß sind wie die des Mehrscheiben-Isolierglases mit Sprosse (Bild 3). Seite 6 von 15

7 Mehrscheiben-Isolierglas mit gleichen Abmessungen als Referenzobjekt Wärmestrom durch das Mehrscheiben-Isolierglas mit Sprosse: q l,sprosse Wärmestrom durch das Mehrscheiben-Isolierglas: q l,mig Länge l Länge l Breite b Breite b Bild 3 Ermittlung des zusätzlichen Wärmestromes bedingt durch die Sprossenkonstruktion Der längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizient Ψ Sprosse wird durch Differenzbildung aus den längenbezogenen Wärmestromdichten q l ermittelt: (6) Ψ Sprosse := ql, Sprosse ql, MIG T L Ψ Sprosse q l,sprosse q l,mig T L längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient in W/(m K) für die Sprossenkonstruktion längenbezogene Wärmestromdichte Mehrscheiben-Isolierglas mit Sprosse in W/m längenbezogene Wärmestromdichte Mehrscheiben-Isolierglas ohne Sprosse in W/m Lufttemperaturdifferenz in K Für die Berechnung des U w -Wertes eines Fensters mit Sprosse wird Gleichung (3) um einen Term erweitert, der den in Anlehnung an pren ermittelten längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten Ψ Sprosse für die Sprossenkonstruktion enthält: Seite 7 von 15

8 Einfluss von Sprossenkonstruktionen auf den Wärmedurchgang von Fenstern (7) U w, Sprosse Ag Ug + Af Uf = Ag + Af l = Uw + + Ag Ug + Af Uf + lg Ψg + l = Ag + Af Ag Af + l g Sprosse ΨSprosse Ψg l + Sprosse A g Ψ + A f Sprosse Sprosse Ψ Sprosse Ψ Sprosse l Sprosse längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient der Sprossenkonstruktion in W/(m K) Länge der Sprossenkonstruktion in m Die Veränderung des U w -Wertes ( U w,sprosse ) durch die Sprossenkonstruktion wird somit durch Gleichung (8) beschrieben. (8) U w, Sprosse l = A g + A Sprosse ΨSprosse f Seite 8 von 15

9 3 Berechnungsergebnisse für ausgewählte Sprossenkonstruktionen Im folgenden wird für ein Fenster mit den Standardabmessungen 1,23 m x 1,48 m (Bild 4) die Änderung des U w -Wertes für ausgewählte Sprossenkonstruktionen berechnet. Der Verglasungsaufbau wird bei den jeweiligen Berechnungen angegeben Sprossenkreuz Rahmenprofil Bild 4 Fenster mit Sprossenkreuz 3.1 Sprossen im Scheibenzwischenraum Bei Sprossen im Scheibenzwischenraum (Bild 5) ist die Berechnung eines U f,sprosse - und Ψ g,sprosse -Wertes nach den Berechnungsregeln von pren nicht möglich. In diesem Fall wird ein längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient Ψ Sprosse ermittelt. Seite 9 von 15

10 Einfluss von Sprossenkonstruktionen auf den Wärmedurchgang von Fenstern Sprossenprofil aus Aluminium Bild 5 Sprosse im Scheibenzwischenraum Tabelle 1 Ψ Sprosse - und U w -Werte für eine Sprosse im Scheibenzwischenraum. Verglasungsaufbau Ψ Sprosse in W/(m K) U w in W/(m 2 K) 4/16/4, 90% Argon, ε n,3 = 0,04 0,01 0,02 4/16/4, Luft, ε n,3 = 0,1 0,02 0,02 Für den Wärmedurchgang ist der Abstand des Sprossenprofils zur Glasscheibe entscheidend. Von einigen Herstellern wird hier ein Mindestabstand von 3 mm empfohlen. 3.2 aufgeklebte Sprossen Auch bei aufgeklebten Sprossen ohne bzw. mit Abstandhaltersprosse im Scheibenzwischenraum werden längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizienten Ψ Sprosse berechnet Abstandhaltersprosse aus Aluminium aufgeklebte Sprossenprofile aus Kunststoffhohlprofilen Bild 6 aufgeklebte Sprosse mit Abstandhaltersprosse Seite 10 von 15

11 Tabelle 2 Ψ Sprosse - und U w -Werte für eine aufgeklebte Sprosse mit Abstandhaltersprosse aus Aluminium. Verglasungsaufbau Ψ Sprosse in W/(m K) U w in W/(m 2 K) 4/16/4, 90 % Argon, ε n,3 = 0,04 0,03 0,04 4/16/4, Luft, ε n,3 = 0,1 0,03 0,03 Tabelle 3 Ψ Sprosse - und U w -Werte für eine aufgeklebte Sprosse ohne Abstandhaltersprosse. Verglasungsaufbau Ψ Sprosse in W/(m K) U w in W/(m 2 K) 4/16/4, 90 % Argon, ε n,3 = 0,04-0,00-0,01 4/16/4, Luft, ε n,3 = 0,1-0,01-0,01 Für die in Bild 6 dargestellte aufgeklebte Sprosse ohne Abstandhaltersprosse wurden negative Ψ Sprosse ermittelt, d.h. die aufgeklebte Sprosse ohne Abstandhaltersprosse führt zu einer Verbesserung der U w -Werte. Die Verbesserung der U w -Werte der Fenster ist gering (ca. 0,01 W/(m 2 K)) und kann daher für die berechneten Sprossenkonstruktionen vernachlässigt werden. 3.3 glasteilende Sprossen Bei glasteilenden Sprossen können beide Berechnungsverfahren angewendet werden. Für die dargestellte glasteilende Holzsprosse (Bild 7) wurden beide Berechnungsverfahren durchgeführt, die Ergebnisse sind in Tabelle 4 und Tabelle 5 zusammengefasst. Für die Berechnung der U w -Werte in Tabelle 5 ist der U f,sprosse -Wert des Sprossenprofils nach Gleichung (1) zu berechnen. Für die dargestellte Sprosse aus Weichholz ergibt sich ein U f,sprosse -Wert von 1,4 W/(m 2 K). Seite 11 von 15

12 Einfluss von Sprossenkonstruktionen auf den Wärmedurchgang von Fenstern Abstandhalter aus Aluminium Bild 7 Glasteilende Holzsprosse mit Aluminium-Abstandhalter Tabelle 4 Ψ Sprosse - und U w -Werte für eine glasteilende Holzsprosse. Verglasungsaufbau Ψ Sprosse in W/(m K) U w in W/(m 2 K) 4/16/4, 90 % Argon, ε n,3 = 0,04 0,16 0,19 4/16/4, Luft, ε n,3 = 0,1 0,13 0,15 Tabelle 5 Ψ g,sprosse - und U w -Werte für eine glasteilende Holzsprosse. Verglasungsaufbau Ψ g,sprosse in W/(m K) U w in W/(m 2 K) 4/16/4, 90 % Argon, ε n,3 = 0,04 0,08 0,19 4/16/4, Luft, ε n,3 = 0,1 0,07 0,15 Die Ergebnisse in Tabelle 4 und Tabelle 5 zeigen, dass beide Berechnungsverfahren zu vergleichbaren Ergebnissen führen. Deutlich zeigt sich der Unterschied zwischen den beiden Verglasungsaufbauten. Je niedriger der U g - Wert der Verglasung ist, desto größer ist im vorliegenden Fall der Einfluss der Sprosse auf den U w -Wertes des Fensters. Seite 12 von 15

13 4 Berücksichtigung von Sprossen in zukünftigen Regelwerken zur Umsetzung der Energieeinsparverordnung Der Einfluss von Sprossen auf den Wärmedurchgang kann durch Prüfungen nach DIN EN ISO oder durch Berechnungen nach DIN EN ISO nachgewiesen werden. Für Sprossenkonstruktionen, für die kein detaillierter Nachweis vorliegt, ist ein Korrekturwert nach DIN V * zu verwenden (Tabelle 6). Die Berechnungen haben gezeigt, das aufgesetzte (aufgeklebte) Sprossen ohne Abstandhaltersprossen zu einer Verringerung des Wärmedurchgangs führen. Liegt kein detaillierter Nachweis durch Prüfung oder Berechnung vor, kann der Einfluss von aufgesetzten (aufgeklebten) Sprossen auf den U w -Wert von Fenstern vernachlässigt werden. Für Sprossen im Scheibenzwischenraum wurde ein Korrekturwert von +0,1 W/(m 2 K) bei einem einfachen Sprossenkreuz und ein Korrekturwert von +0,2 W/(m 2 K) bei einem mehrfachen Sprossenkreuz festgelegt. Bei glasteilenden Sprossen ist der U w Wert des Fensters um 0,3 W/(m 2 K) zu erhöhen. Tabelle 6 Korrekturwerte für Sprossen nach DIN V *. Sprossentyp Korrekturwert U w in W/(m 2 K) aufgesetzte Sprosse + 0,0 Sprosse im Scheibenzwischenraum (einfaches Sprossenkreuz) Sprosse im Scheibenzwischenraum (mehrfache Sprossenkreuze) + 0,1 + 0,2 glasteilende Sprossen + 0,3 * Diese Norm ist in Vorbereitung und soll Anfang 2002 als neue Vornorm bzw. als Ersatz für die DIN V : erscheinen. Seite 13 von 15

14 Einfluss von Sprossenkonstruktionen auf den Wärmedurchgang von Fenstern 5 Fazit Die im Rahmen des Forschungsprojektes durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, dass der Einfluss von Sprossenkonstruktionen auf den Wärmedurchgang von Fenstern durch die Einführung eines längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten für die gesamte Sprossenkonstruktion auf einfache Weise berücksichtigt werden kann. Es zeigten sich dabei deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Sprossenkonstruktionen. Aufgeklebte Sprossen ohne Abstandhaltersprosse führen zu einer geringfügigen Verbesserung der U w -Werte, die in ihrer Gesamtauswirkung vernachlässigt werden kann. Bei der Kombination von aufgeklebten Sprossen mit Abstandhaltersprossen ergeben sich Erhöhungen der U w -Werte, die berücksichtigt werden müssen. In der zukünftig geltenden DIN V werden hierfür Korrekturwerte angegeben. Zur genauen Ermittlung können auch Einzelnachweise geführt werden. Bei glasteilenden Sprossen sind Erhöhungen der U w -Werte um ca. 0,3 W/(m 2 K) zu erwarten. Da die U w- Werte von glasteilenden Sprossenkonstruktionen material und konstruktionsabhängig deutliche Unterschiede aufweisen können, sind hierfür genauere Nachweise insbesondere bei hochwärmedämmenden Fenstern durch eine detaillierte Berechnung oder durch die Verwendung von Werten aus dem Forschungsprojekt zu empfehlen. Seite 14 von 15

15 [1] DIN V : , Wärmeschutz im Hochbau. Wärme- und feuchtetechnische Kennwerte; Beuth-Verlag GmbH, Berlin. [2] Sack, N.: DIN EnEV Bauregelliste A Teil 1 Was bringen die neuen Regeln für Fenster, Fassaden und Verglasungen? Fachpublikation ift Rosenheim 1/2002 [3] Froelich, H.; Hartmann, H.-J.; Huber, K.; Weimann, W.; Sack, N.; Krause, H.: Untersuchung des Einflusses von unterschiedlichen Sprossenkonstruktionen auf den Wärmedurchgang von Fenstern. Forschungsbericht des Instituts für Fenstertechnik e.v., Rosenheim [4] pren : , Thermal performance of windows, doors and shutters Calculation of thermal transmittance Part 2: Numerical method for frames. [5] DIN EN ISO : , Thermal performance of windows, doors and shutters Calculation of thermal transmittance Part 1: Simplified method; Beuth-Verlag GmbH, Berlin. Seite 15 von 15

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