ENERGIE BAUPHYSIK TGA

Transkript

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

2 ENERGIE, BAUPHYSIK UND TGA PROGRAMM WS 2016/ Einführung, Entwicklung und Hintergrund Bauphysik Wärmetransport und U-Wert-Berechnung Teil U-Wert-Berechnung Teil 2, EnEV U-Wert-Berechnung Teil 3, inhomogen Oberflächentemperaturen und Schichttemperaturen Wärmebrücken, Verfahren WB-Zuschlag Schimmelpilzbefall, Feuchteschutz Glaserverfahren Dafür Donnerstag, : Prof. Dr. Nowak, 3. und 4. Stunde Dafür Donnerstag, : Prof. Dr. Nowak, 3. und 4. Stunde EnEV-Berechnung excel Optional noch Wiederholung, keine Übung , gleiche Zeit Ferien Ferien Vorbereitung Prüfung Prüfung

3 VORBEREITUNG PRÜFUNG Hintergrund Wichtige Themen Übungsaufgaben

4 HINTERGRUND

5 KLIMAERWÄRMUNG

6 BAUPHYSIK HEUTE Ziele des Wärmeschutzes: Optimierung von Energieverbräuchen Der Energiebedarf eines Gebäudes hängt entscheidend von seinem Wärmeund Feuchteschutz ab. Wärmeschutz+ Anlagentechnik EnEV Vermeidung von Baumängeln und Bauschäden In der unzureichenden Beachtung der Bauphysik liegen die wesentlichen Ursachen von Bauschäden (Feuchte, Schimmel, Schäden Bausubstanz). Hygienischer WS, Mindestwärmeschutz DIN Ökologische Bedeutung - Einsparung von Heizenergie Rohstoffe, Ressourcen, CO 2 Umweltschutz - Dauerhaftigkeit und Schadensfreiheit der Konstruktion Nachhaltigkeit - Feuchte- und Schimmelvermeidung Gesundheit Raumklima Im Vordergrund steht der Mensch, er soll sich im Innenraum wohl fühlen. Die empfundene Behaglichkeit ist innerhalb einer Bandbreite subjektiv. Wesentliche Parameter der Behaglichkeit sind: Raumlufttemperatur, Oberflächentemperatur, relative Luftfeuchte sowie die Luftbewegung. Behaglichkeit

7 GRUNDLAGEN WÄRMESCHUTZ Wärmedurchgang durch ein Bauteil Leitung Strahlung Konvektion Transmission, transmittere = (lat.) hinüberschicken Transmissionswärmeverluste minimieren

8 WÄRMESCHUTZ UND BEHAGLICHKEIT

9 WÄRMESCHUTZ UND FEUCHTIGKEIT Wärmeleitfähigkeit: Luft bei 10 C Dämmstoffe Holz (weich) Holz (hart) Vollziegel 1400 kg/m3 Hochlochziegel Wärmedämmziegel Kalk-Zementmörtel Stahlbeton 2500 kg/m3 nicht rostender Stahl Aluminium Kupfer Wasser, 0 C Wasser, 40 C Eis, 0 C λ= 0,024 W/m K λ= 0,025-0,070 W/m K λ= 0,13 W/m K λ= 0,18 W/m K λ= 0,58 W/m K λ= 0,36 W/m K λ= 0,14 W/m K λ= 1,00 W/m K λ= 2,10 W/m K λ= 17 W/m K λ= 160 W/m K λ= 380 W/m K λ= 0,60 W/m K λ= 0,63 W/m K λ= 2,20 W/m K

10 WICHTIGE THEMEN

11 OBERFLÄCHENTEMPERATUR

12 OBERFLÄCHENTEMPERATUR Oberflächentemperatur θ si = θ i - (q x R si ) q = U x θ Θ si = Temperatur surface intern, in C Θ i = Temperatur Innenraumluft, in C R si = Wärmeübergangswiderstand innen, in m2k/w q = Wärmestromdichte, in W/m2 U = Wärmedurchgangskoeffizient, in W/m2K θ = Temperaturdifferenz innen und außen Wärmedurchgangskoeffizient Temperaturdifferenz außen-innen Beispiel: U-Wert: a) 1,40 W/m2K, b) 0,70 W/m2K c) 0,20 W/m2K Temperaturdifferenz: jeweils 20 C innen, -5 C außen; 25 K

13 OBERFLÄCHENTEMPERATUR 1. Schritt: Wärmestromdichte q q = U x θ a) q = 1,4 W/m2K x 25 K q = 35 W/m2 b) q = 0,7 W/m2K x 25 K q = 17,5 W/m2 c) q = 0,2 W/m2K x 25 K q = 5 W/m2

14 OBERFLÄCHENTEMPERATUR 2. Schritt: Oberflächentemperatur θ si = θ i - (q x R si ) Θsi = Temperatur surface intern Behaglich? Beispiel a. θ si = 20 C (35 W/m 2 x 0,13 m 2 K/W) θ si = 15,45 C Beispiel b. θ si = 20 C (17,5 W/m 2 x 0,13 m 2 K/W) θ si = 17,73 C Beispiel c. θ si = 20 C (5 W/m 2 x 0,13 m 2 K/W) θ si = 19,35 C

15 OBERFLÄCHENTEMPERATUR Wärmeübergangswiderstand und Möblierung Wärmeübergangswiderstand innen, Wärmeschutz, freie Wandfläche Rsi = 0,13 m2k/w Regelquerschnitt: Rsi = 0,125 m²k/w (0,13 m²k/w) Freie Ecke: Rsi= 0,2-0,25 m²k/w Hinter Schrank: Rsi= 0,25 0,5m²K/W Hinter Gardinen: Rsi= 0,25 m²k/w Ecke hinter Schrank, Einbauschrank: Rsi= 0,5 1,0m²K/W

16 WÄRMEDÄMMSTOFFE

17 U-WERT UND DÄMMSTOFFDICKE U-Wert und Dämmstoffdicke -Flächenverbrauch -Energieeinsparung Kosten-Nutzen-Verhältnis Wirtschaftlichkeit Halbierung U-Wert doppelte Dicke

18 U-WERT FENSTER U f = U-Wert Rahmen U g = U-Wert Glas Ψ = längenbezogener Wärmebrückenverlustkoeffizient (Randverbund)

19 U-WERTBERECNUNG INHOMOGENE BAUTEILE

20 WÄRMEBRÜCKEN Wärmebrücken Def.: örtlich begrenzte Stellen in der Gebäudehülle, durch die ein größerer Wärmeabfluss nach außen erfolgt als in den angrenzenden Bereichen.

21 WÄRMEBRÜCKEN Konstruktive Wärmebrücke Geometrische Wärmebrücke Verstärkter Wärmefluss in der Stütze Oberfläche außen größer als innen Wärmebrücke Ecke (2-dimensional) Wärmeströme Isothermen Wärmeströme Die geometrische Breite bzw. Abmessung einer Wärmebrücke ist nicht identisch mit ihrer thermischen Breite. Wärmestrom verläuft senkrecht zu den Isothermen

22 SCHIMMELPILZVERMEIDUNG Schimmelpilzvermeidung, Mindestwärmeschutz Wärmebrücken DIN 4108 Teil 2 aw <= 0,8 f Rsi >= 0,7

23 RELATIVE UND ABSOLUTE LUFTFEUCHTE 1 m3 Luft mit der Temperatur 10 C kann maximal 9,4 g Wasserdampf aufnehmen (= 100 % Sättigung) 1 m3 Luft mit der Temperatur 20 C kann maximal 17,8 g Wasserdampf aufnehmen. Wird die 10 C kalte Luft (mit 9,4 g/m3 Feuchte) auf 20 C erwärmt, ist sie zu 52 % gesättigt 1 m3 Luft mit der Temperatur 30 C kann maximal 27,2 g Wasserdampf aufnehmen. Wird die 10 C kalte Luft (mit 9,4 g/m3 Feuchte) auf 30 C erwärmt, ist sie zu 28 % gesättigt 9,4 g/m 3 9,4 g/m 3 9,4 g/m 3

24 FEUCHTESCHUTZ Transportmechanismen Feuchte Kapillarität (flüssiger Transport) Konvektion (Luft als Träger) Diffusion (gasförmiger Transport)

25 FEUCHTESCHUTZ MÖGLICHE URSACHEN 1. Bauliche Schäden Undichtigkeiten Dach / Wand / Böden Rohrleitungsschäden andere Wasserschäden (z.b. Hochwasser) 2. Baukonstruktion a) Neubaufeuchte, Verdunstung b) Unzureichende Lüftungsmöglichkeit c) Tauwasser im inneren des Bauteils - Innendämmung - Undichtigkeiten (Konvektion) a) Tauwasser auf der Oberfläche des Bauteils - Geringer Wärmeschutz - Wärmebrücken 3. Nutzerverhalten hoher Feuchteeintrag zu geringe Feuchteabführung (Lüften) zu geringes Heizen Möblierung an Außenwänden

26 FEUCHTESCHUTZ DIFFUSION UND KONVEKTION Schadensvermeidung: Innen luftdicht Außen winddicht Innen diffusionsbremsend Außen diffusionsoffen Luftdichtheitsebene / Dampfbremse

27 FEUCHTESCHUTZ DIFFUSION Wasserdampfteildruck 1. Innen: 20 C, 50 % 1170 Pa; außen: -15 C, 50 % 120 Pa 2. Innen: 20 C, 60 % 1404 Pa; außen: 30 C, 60 % 2546,4 Pa 3. Innen: 20 C, 50 % 1170 Pa; außen: 20 C, 80 % 1872 Pa 20 C: Sättigung: 2340 Pa ( x 0,5 = 1170 Pa) ( x 0,6 = 1404 Pa) ( x 0,8 = 1872 Pa) -15 C: Sättigung: ca. 240 Pa ( x 0,5 = 120 Pa) 30 C, Sättigung: 4244 Pa ( x 0,6 = 2546,4 Pa) Insgesamt: Diffusionsvorgänge überwiegend von innen nach außen Im Sommer zeitweise von außen nach innen

28 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN Spanplatte Mineralwolle Dampfbremse Spanplatte außen 1168 Pa 438 Pa 321 Pa Normative Randbedingungen Innen: 20, 50 % = 1168 Pa Außen: -5 C, 80 % = 321 Pa

29 FEUCHTESCHUTZ DIFFUSION diffusionsoffen diffusionshemmend diffusionsdicht s D 0,5 m 0,5 m< s D < 1500m s D 1500 m

30 FEUCHTESCHUTZ LUFTDICHTHEITSKONZEPT Ziel Luftdichtheit: Vermeidung von Konvektion Ziel Dampfbremse: Reduzierung von Diffusion Ziel Winddichtheit: Vermeidung Faserabtrag, Hinterströmung

31 ENEV ANFORDERUNGEN Prinzipien der EnEV Die Hauptanforderungsgröße für Neubauten ist in der EnEV der Jahresprimärenergiebedarf 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 Berechnungsnormen: DIN V DIN ,

32 ENEV ANFORDERUNGEN Grundlagen: vom Heizwärmebedarf zum Primärenergiebedarf Heizwärmebedarf: Wärmeverluste (Transmission+Lüftung) Wärmegewinne (solar+intern) Heizenergiebedarf: Heizwärmebedarf + Anlagenverluste + Hilfsenergie Primärenergiebedarf: Heizenergiebedarf + vorgelagerte Verluste Primärenergiefaktoren: Strom: 1,8; Erdgas:1,1; Erdöl: 1,1; Holzpellets: 0,2

33 ENEV BILANZIERUNG Grundlagen: 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 Q h Heizwärmebedarf Verluste Gewinne Bilanzierung: Wärmeverluste Wärmegewinne (Ausnutzungsgrad)

34 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

35 GLASERDIAGRAMM

36 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN Spanplatte Mineralwolle Dampfbremse Spanplatte außen 1168 Pa 438 Pa 321 Pa Normative Randbedingungen Innen: 20, 50 % = 1168 Pa Außen: -5 C, 80 % = 321 Pa

37 FEUCHTESCHUTZ DIFFUSION UND TAUWASSER Ziel: Ermittlung Tauwasserausfall innerhalb einer Konstruktion infolge von Diffusionsvorgängen Bauteilaufbau Material Schichtdicken Wärmeleitfähigkeit Wasserdampfdiffusionswiderstand Normiertes Verfahren DIN Anwendungsbereiche Randbedingungen Verfahren

38 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN Schritt: Bestimmung des Bauteilaufbaus

39 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN Feuchteschutz: Rsi = 0,25 m2k/w Diffusionswiderstand aus DIN ? 2. Schritt: Tabelle, Ermittlung der Baustoffkenndaten

40 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN A.2.3 Hinweise zu Stoffeigenschaften Die in DIN , DIN EN ISO und in allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen aufgeführte Angabe von zwei µ-werten deckt Streubreiten bzw. praktisch auftretende unterschiedliche Feuchtezustände ab. Im Rechenverfahren ist der für die jeweilige Schichtposition in der Tauperiode ungünstigere µ-wert anzuwenden, welcher dann auch für die Verdunstungsperiode beizubehalten ist.

41 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN Feuchteschutz: Rsi = 0,25 m2k/w Diffusionswiderstand aus DIN ,95/5,01 = 0,190 (0,95+2,0)/5,01 = 0,589 (0,95+2,0+0,16)/5,01 = 0,621 (0,95+2,0+0,16+1,9)/5,01 = 1,00 2. Schritt: Tabelle, Ermittlung der Baustoffkenndaten

42 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN Schritt: Ermittlung der Oberflächenund Schichttemperaturen 2340 Pa x 0,5 = Pa 401 Pa x 0,8 = 320,8 Pa Gemäß Wärmestromdichte q = U x θ q = θ / R T

43 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN Schritt: Ermittlung der zu den Oberflächenund Schichttemperaturen zugehörigen Werte des Sättigungsdampfdruckes

44 FEUCHTESCHUTZ DIFFUSION Θ si = 18,6 C Θ 1,2 = 17,8 C Θ 2,3 = 17,8 C

45 Θ 3,4 = -4,0 C Θ se = -4,8 C

46 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN Schritt: Ermittlung der zu den Oberflächenund Schichttemperaturen zugehörigen Werte des Sättigungsdampfdruckes

47 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN x-achse 0,95/5,01 = 0,190 (0,95+2,0)/5,01 = 0,589 (0,95+2,0+0,16)/5,01) = 0,621 (0,95+2,0+0,16+1,9)/5,01) = 1,00 y-achse

48 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN Spanplatte Mineralwolle Dampfbremse Spanplatte außen 5. Schritt: Koordinatensystem: Eintragen der Werte s d /s d, T

49 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN Spanplatte Mineralwolle Dampfbremse Spanplatte außen 6. Schritt: Koordinatensystem: Eintragen der Werte des Sättigungs dampfdrucks

50 BEISPIELE PRÜFUNGSAUFGABEN

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