ENERGIE - BAUPHYSIK - TGA

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1 ENERGIE - BAUPHYSIK - TGA Prof. Dipl.-Ing. Architektin Susanne Runkel

2 PROGRAMM WS 2016/17 1. Architektur und Bauphysik 2. Wärmetransport und U-Wert-Berechnung Teil A 3. U-Wert-Berechnung Teil B 4. U-Wert-Berechnung Teil C, inhomogen, EnEV 5. Berechnung von Oberflächentemperaturen und Schichttemperaturen 6. Wärmespeicherung 7. Wärmebrücken 8. Feuchteschutz, Feuchtetransportmechanismen 9. Vermeidung von Schimmelpilzbefall Wärmebrücken, Nachweisverfahren 10. Feuchteschutz, Glaserdiagramm 11. EnEV-Berechnung Teil EnEV-Berechnung Teil 2

3 PROGRAMM VORLESUNG 4 Wärmetransport und U-Wert-Berechnung Teil C 1. U-Wert-Berechnung inhomogene Bauteile 2. Hintergrund EnEV Entwicklung 3. EnEV-Anforderungen

4 U-WERT-BERECHNUNG WIEDERHOLUNG Schritt 1: Ermittlung des Wärmedurchlasswiderstandes: R = d /λ (m 2 K/W) (R = resistance) Der Wärmedurchlasswiderstand R(früher 1/Λ) ist der Widerstand, den ein homogenes Bauteil, oder bei mehrschichtigen Bauteilen eine homogene Bauteilschicht, dem Wärmestrom bei einer Temperaturdifferenz von 1Kelvin auf einer Fläche von 1m² zwischen seinen Oberflächen entgegensetzt. Er ist der Kehrwert des Wärmedurchlasskoeffizienten. Schritt 2: Schritt 3: Ermittlung des Wärmedurchgangswiderstand: R T = R si + R + R se Die Summe aus allen Wärmedurchlass und übergangswiderständen ist der Wärmedurchgangswiderstand R T (T = total) (si = surface intern, se = surface extern) Ermittlung des U-Wertes: U = 1/ R T Der U-Wert (Wärmedurchgangskoeffizient) ist der R R 3 R 2 R 1 R si Kehrwert des Wärmedurchgangswiderstandes R se

5 R SI, R SE -WIEDERHOLUNG Wärmeübergangswiderstände in Abhängigkeit von: Richtung des Wärmestroms Gegen unbeheizt Gegen Erdreich Gegen Außenluft Dachflächen Grenzt ein Bauteil gegen Erdreich: R se = 0 Grenzt ein Bauteil gegen unbeheizte Räume oder stark belüftete Luftschichten: R se = R si Zur Berücksichtigung der angrenzenden höheren Temperaturen werden in der EnEV- Berechnung zusätzlich Temperaturkorrekturfaktoren einbezogen (DIN Tab. 3)

6 U-WERT-BERECHNUNG WIEDERHOLUNG U-Wert und Dämmstoffdicke -Flächenverbrauch -Energieeinsparung Kosten-Nutzen-Verhältnis Wirtschaftlichkeit Halbierung U-Wert doppelte Dicke

7 U-WERT FENSTER

8 U-WERT FENSTER U W -Wert für ein Fenster nach DIN EN ISO

9 U-WERT FENSTER Excel-Tabelle: Uw-Wert Fenster

10 U-WERTBERECNUNG INHOMOGENE BAUTEILE U-Wert inhomogene Bauteile Zwischensparrendämmung, nicht hinterlüftet 1. Schritt: Bestimmung Rsi und Rse R si R se = 0,10 m2k/w = 0,04 m2k/w Schritt: Bestimmung R-Werte Material Dicke d in m Wärmeleitfähigkeit λ in W/mK R (d/ λ) in m2k/w Gipskartonplatte 0,0125 0,25 0,05 0,05 Dämmung 0,20 0,035 5,714 Sparren 0,20 0,13 1, Schritt: Bestimmung der Anteilsgewichtung Gefach: 0,67 / 0,75 = 0,8933 (89 %) Sparren: 0,08 / 0,75 = 0,1066 (11 %)

11 U-WERTBERECHNUNG INHOMOGENE BAUTEILE U-Wert inhomogene Bauteile 4. Schritt: Bestimmung der Abschnitts-U-Werte 1. R TG -Wert Gefach: 5,904 m2k/w, U = 0,1693 W/m2K 2. R TS -Wert Sparren: 1,728 m2k/w, U = 0,579 W/m2K 5. Schritt: Bestimmung des gemittelten U-Wertes und des R`T Wertes (oberer Grenzwert) Material Gipskartonplatte Dicke d in m Wärmeleit -fähigkeit λ in W/mK 0,0125 0,25 0,05 0,05 R (d/ λ) in m2k/w Dämmung 0,20 0,035 5,714 Sparren 0,20 0,13 1,538 Gefach: 0,8933 (Anteil) x 0,1693 = 0,1512 W/m2K Sparren: 0,1066 (Anteil) x 0,579 = 0,0617 W/m2K U` = 0,213 W/m2K R T` =1/ 0,213 W/m2K = 4,695 m2k/w Flächengewichtet: Gefach: 0,67 / 0,75 = 0,8933 Sparren: 0,08 / 0,75 = 0,1066

12 U-WERTBERECHNUNG INHOMOGENE BAUTEILE U-Wert inhomogene Bauteile 6. Schritt: Bestimmung des Querwärmestromes Material Gipskartonplatte Dicke d in m 75 Wärmeleit -fähigkeit λ in W/mK 0,0125 0,25 0,05 0,05 R (d/ λ) in m2k/w Dämmung 0,20 0,035 5,714 Sparren 0,20 0,13 1,538 Flächengewichtet: Gefach: 0,67 / 0,75 = 0,8933 Sparren: 0,08 / 0,75 = 0,1066 Gipskarton = Homogene Ebene R 1 = 0,05 m2k/w R 2 = inhomogen: λ mittel = (0,8933 x 0,035 W/mK)+(0,1066 x 0,13W/mK) λ mittel = 0,0451 W/mK R 2 = 0,2m / 0,04515 W/mK= 4,4321 m2k/w RT`` = R si + R1 + R2 + R se RT`` = 4,6221 m2k/w (unterer Grenzwert) 7. Schritt: Bestimmung des U-Wertes inhomogen R T = (4,695 m2k/w+4,6221 m2k/w)/2 R T = 4,659 m2k/w, U = 0,215 W/m 2 K

13 HINTERGRUND: ENEV ENTWICKLUNG Wärmeschutznachweis Wärmebedarfsausweis Energiebedarfsausweis Energiepass Energieausweis EnEV 2014 sommerlicher WS, P-Faktor: 2,4 Bußgelder EnEV 2016 Verschärfung 25 % PE, 20 % HT, P-faktor 1,8

14 HINTERGRUND: ENEV ENTWICKLUNG ENEV Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden. Kurz: Energieeinsparverordnung -Die EnEV hat die Aufgabe, die EU-Gebäuderichtlinie in nationales Recht umzusetzen. - Die Gebäuderichtlinie formuliert die internationalen Verpflichtungen zum Klimaschutz für den Gebäudebereich insbesondere die Reduzierung der Treibhausgase um min. 20 % gegenüber Werten aus 1990, Industrienationen wie Deutschland wollen sogar um 40 % reduzieren. - In der Gebäuderichtlinie wird z.b. Folgendes gefordert: eine ganzheitliche Bewertungsmethode (Wärmeschutz+Anlagentechnik) Forcieren von CO 2 -reduzierenden Maßnahmen Ausstellung und Regelung von Energieausweisen Nutzung des Renovierungszyklus zur Anhebung des energetischen Standards

15 HINTERGRUND: ENEV ENTWICKLUNG Hintergrund der EnEV ist der Klimaschutz Warum? CO 2 sowie andere Luftschadstoffe (Distickstoffoxid, Methan, usw. ) führen zu einem verstärkten Treibhauseffekt Folgen: Erwärmung der Atmosphäre, Abschmelzen der Polkappen, Anstieg des Meereswasserspiegels, Veränderung der Luft-und Wasserströmungen mit den Folgen Überschwemmungen, Unwetter, Extremwetterlagen Trockenheit, Kälte, Regen. CO 2 entsteht vorwiegend aus Verbrennungsprozessen, der Gebäudebereich ist zu etwa einem Drittel an den Kohlendioxidemissionen beteiligt. In privaten Haushalten ist vor allem die Beheizung die Hauptquelle der Emissionen.

16 HINTERGRUND: ENEV ENTWICKLUNG Hintergrund der EnEV ist der Klimaschutz Die Reduzierung von CO 2 bringt noch weitere Effekte: Unabhängigkeit von Energieimporten (z.t. aus Krisengebieten der Erde) Gefahrenvermeidung durch Transport von Erdöl, Erdgas Einsatz erneuerbare Energien, Biomasse: Nutzung heimischer u. nachwachsender Ressourcen

17 HINTERGRUND: ENEV ENTWICKLUNG Entwicklung des Wärmeschutzes bis zur EnEV Einflüsse, Zusammenhänge: Standsicherheit Hygiene, Gesundheit Politische Krisen (Knappheit von Brenn-u. Baustoffen, Atom-know-how) Behaglichkeits- u. Komfortanforderungen Umweltbewusstsein Klimaschutz, Klimapolitik Vermeidung von Umweltkatastrophenü Kyotoprotokoll 1998

18 HINTERGRUND: ENEV ENTWICKLUNG Um 1920 entstand der Begriff Mindestwärmeschutz damalige Standard: ungedämmte Bauteile mit Wärmedurchgangswerten von ca. 1,2 2,0 W/(m²K), kombiniert mit 1-Scheiben-verglasten Fenstern und Ofenheizungen. Problematik: Behaglichkeit, Gesundheitsrisiken durch Feuchte / Schimmel, Rauchgase; hoher Energieverbrauch. Vorgaben richteten sich nach der Statik sowie nach der Bauindustrie: Die 1 ½ -Stein dicke Vollziegelwand (38 cm + Putz), U-Wert ca. 1,6 W/m 2 K. seit 1952 In DIN 4108 Wärmeschutz im Hochbau" ist der Mindestwärmeschutz nach Wärmedämmgebieten vorgegeben; U-Wert ca.: 1,7 bis 1,4 W/m 2 K 1974 Energiekrise: Forderung nach besseren Wärmeschutz, nun weniger hygienisch begründet als finanziell. Preissteigerungen, Sonntagsfahrverbote, Suche nach Alternativen zum Öl Kernenergie, Wärmedämmung, Effizienzsteigerung. Gesetz: 1976 Energieeinsparungsgesetz (EnEG). Grundlage für die folgende "Wärmeschutzverordnung und die "Heizanlagenverordnung November 1977: 1. Wärmeschutzverordnung (WschVO 77) tritt in Kraft: Vorschriften zum Erreichen einer wirtschaftlich sinnvollen Beschränkung des Energieverbrauchs. DIN 4108 von 1952 behielt weiter ihre Gültigkeit, da in dem Gesetz zur Einsparung von Energie in Gebäuden von 1976 (WschVO 77) nur mittlere Wärmedurchgangskoeffizienten (k-werte) festgeschrieben waren: z.b. für Aw je nach A/V-Verhältnis des Gebäudes: 1,4 0,77 W/m 2 K Überarbeitung der DIN 4108 Wärmeschutz im Hochbau, Mindestwärmeschutz. Anforderungen nun nicht mehr nach Wärmedämmgebieten differenziert, einheitliche Forderung z.b. für Aw mindestens R = 0,55 m 2 K/W, daher U-Wert von: 1,39 W/m 2 K. Weitere Aktualisierungen 1996 und 2001 (heutiger Stand mit R = 1,2 m 2 K/W, U-Wert 0,73 W/m 2 K.)

19 HINTERGRUND: ENEV ENTWICKLUNG Januar 1984: 2. Wärmeschutzverordnungtritt in Kraft: Erstmals wurden auch Anforderungen bei baulichen Veränderungen erhoben. Z.B für Aw je nach A/V: U-Wert 1,20 0,6 W/m2K 1992 Nachweislich dokumentierte Veränderungen des Weltklimas (Abschmelzen der Polkappen, Stürme, Überschwemmungen, Dürrem, ) Rio de Janeiro: 1. Weltklimagipfel Januar 1995: 3. Wärmeschutzverordnungtritt in Kraft: Erstmals mit Forderungen an den maximalen Jahres-Heizwärmebedarf von neu zu errichtenden Gebäuden sowie bei Erweiterungen an bestehenden Gebäuden. Berücksichtigung von Lüftungswärmeverlusten, solare und interne Wärmegewinne. Nachweis: Wärmebedarfsausweis. Z.B Aw (Bauteilanf.): U-Wert 0,50 W/m 2 K 1998 Weltklimakonferenz in Kyoto. Ziel: Verpflichtung zur Minderung der klimaschädlichen Treibhausgase (unter anderem CO2, FCKW). Abschluss des Kyoto-Protokolls. Infolgedessen wurde in Deutschland ab dem für zu errichtende Neubauten die Energieeinsparverordnung eingeführt Aktualisierungen der DIN 4108 Teil 2zum Mindestwärmeschutz hygienischer Wärmeschutz, außerdem explizierte Anforderung zum Wärmeschutznachweis im Bereich von Wärmebrücken. Mindestanforderung Außenwand Regelquerschnitt: R = 1,2 m 2 K/W, d.h. U-Wert 0,73 W/m 2 K 2002 Einführung der Energieeinsparverordnung (EnEV): Zusammenführung von Wärmeschutzverordnung und die Heizungsanlagenverordnung. Nachweis: Energiebedarfsausweis -EnEV ermöglichte erstmals eine ganzheitliche Betrachtung der Wärmeverluste und Wärmegewinne aus Gebäudehülle und Anlagentechnik. -Der k-wert als Wärmedurchgangskoeffizient wurde durch den U-Wert ersetzt. -Wie bei den Wärmeschutzverordnungen ist das Gesetz zur Einsparung von Energie aus dem Jahre 1976 weiterhin Grundlage der neuen Verordnung. -Vorbereitung und Einführung des freiwilligen Energiepass (Feldversuch der dena zur Einführung des Energieausweises. Z.B. AW (Bauteilanf.): U-Wert 0,35 / 0,45 W/m2K

20 HINTERGRUND: ENEV ENTWICKLUNG 2002 Erlass der EU-Gebäuderichtlinie.Teile der 2002 eingeführten EnEV erfüllten bereits die Forderungen der EU-Gebäuderichtlinie, deren Ziel es ist, die Energieeffizienz von Gebäuden europaweit zu steigern Aktualisierungen der DIN 4108 Teil 2(Mindestwärmeschutz),explizierte Anforderung zum Wärmeschutznachweis im Bereich von Wärmebrücken f Rsi 0, Novelle der EnEV. Anpassung an aktuelle Normen Novelle der EnEV, Umsetzung der noch nicht integrierten Teile der EU-Gebäuderichtlinie. Dies war neben der Einführung eines Gebäudeenergieausweisesfür Neu-und für Bestandsgebäude die Festschreibung einer regelmäßigen Überwachung von Klima-und Lüftungsanlagen sowie die Berücksichtigung der Klimatisierung und Beleuchtung bei der energetischen Betrachtung von Nichtwohngebäuden. Die Anforderungen an die Energieeffizienz von Gebäuden wurden mit der Novelle jedoch nicht verschärft. Z.B. Aw Bauteilanf.: U-Wert 0,35 W/m 2 K 2009 EnEV 2009: Anforderungen an Neubauten und bauliche Veränderungen wurden um ca. 30 % verschärft, damit die Klimaschutzziele der Bundesregierung erreicht werden können. Die nächste Novellierung ist für 2012 geplant. Wesentliche Änderung sind das Berechnungsverfahren, dass dann ausschließlich nach DIN V zu erfolgen hat. Ob es zu deutlichen Verschärfungen kommt, ist noch unklar. Z.B. Aw Referenz: U-Wert 0,28 W/m2K Z.B. Aw Bauteilanf.: U-Wert 0,24 W/m2K 2014 EnEV 2014: Keine direkten erhöhten Anforderungen, erst ab um 25 % (Primärenergie) bzw. um 20 % (Wärmeschutz). Einführung von Registriernummern, verstärkte Kontrolle, Bußgeldkatalog-Erweiterung, Senkung des Primärenergiefaktor Strom stufenweise auf 2,4 und ab auf 1,8. Verschärfung des sommerlichen Wärmeschutzes. Klimaschutzziele der Bundesregierung: bis 2020: - Reduktion des Treibhausgasausstoßes um 40 % unter den Stand von 1990, - Steigerung des Anteils von Strom aus KWK (Kraft-Wärme-Kopplung) an d. Stromerzeugung auf 25% bis 2030: - Steigerung des Anteils der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung auf %

21 HINTERGRUND: ENEV ENTWICKLUNG Entwicklung zur EnEV Quelle: Fraunhofer Institut für Bauphysik

22 HINTERGRUND: ENEV ENTWICKLUNG Klimapolitik 90 kg 60 kg 40 kg 26 kg 20 kg 5 kg OHNE GESETZLICHE REGELUNG vor 1977 WSVO I 1977 WSVO II 1982 WSVO III 1995 EnEV Passivhaus Endenergieverbrauch am Beispiel Heizöl pro Quadratmeter Gebäudenutzfläche Wohngebäude

23 ENEV ANFORDERUNGEN Prinzipien der EnEV Die Hauptanforderungsgröße für Neubauten ist in der EnEV der Jahres-Primärenergiebedarf im Vergleich zu einem Referenzgebäude gleicher Geometrie, Ausrichtung und Nutzfläche sowie vorgegebenen technischen Eigenschaften Zusätzlich einzuhalten ist ein vom Gebäudetyp abhängiger Grenzwert für den Transmissionswärmeverlust. Bei Nichtwohngebäuden sind mittlere U-Werte für die verschiedenen Bauteile einzuhalten Die EnEV berücksichtigt solare Wärmegewinne und stellt Anforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz

24 ENEV ANFORDERUNGEN 1. Maximal zulässiger Primärenergiebedarf Q p,max wird über das Referenzgebäudeverfahren ermittelt 2. Maximal zulässige Transmissionswärmeverluste Für Wohngebäude: max. H T -Werte in Abh. der Gebäudeanordnung Für Nichtwohngebäude: max. mittlere U-Werte der Bauteilgruppen

25 ENEV ANFORDERUNGEN Grundlagen: vom Heizwärmebedarf zum Primärenergiebedarf Für die Gebäudeheizung: Heizwärmebedarf: Wärmeverluste (Transmission+Lüftung) Wärmegewinne (solar+intern) Heizenergiebedarf: Heizwärmebedarf + Anlagenverluste + Hilfsenergie Primärenergiebedarf: Heizenergiebedarf + vorgelagerte Verluste

26 ENEV ANFORDERUNGEN Heizwärmebedarf Wärmeverluste durch Lüftung H V Q i Q s Interne Wärmegewinne solare Wärmegewinne Wärmeverluste durch Transmission (Bauteile) Basis: U-Wertermittlung aller wärmeübertragender Flächen H T Heizwärmebedarf Verluste Gewinne Bilanzierung: Wärmeverluste - Wärmegewinne Heizwärmebedarf: Endenergiebedarf: Primärenergiebedarf: Q h = 66(H T + H V ) 0,95(Q s + Q i ) kwh/a Heizung, Warmwasser, Anlagenaufwandszahl Primärenergiefaktor (1,1; 2,4; 0,2 )

27 AUSBLICK Empfundene Behaglichkeit Raumlufttemperatur Oberflächentemperatur Raumluftfeuchte Luftbewegung (Temperaturverteilung) Abhängig vom Wärmedurchgang s-koeffizient (U- Wert), Innen-u. Außentemperatur

28 ENERGIE - BAUPHYSIK - TGA Prof. Dipl.-Ing. Architektin Susanne Runkel