Innovativ Energie sparen

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1 Seite 1 von 11 Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Sieberath Institutsleiter ift Rosenheim Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Benitz-Wildenburg Leiter PR & Kommunikation ift Rosenheim Dipl. Phys. Norbert Sack Leiter Forschung & Entwicklung ift Rosenheim Fenster, Fassaden und Glas Innovativ Energie sparen Die weltweite Brisanz der Klimaproblematik wird nicht nur durch die öffentliche Diskussion deutlich, sondern vielmehr durch persönliches Erleben in Form von Hitzeund Trockenzeiten, Stürmen und Hurrikans, Starkregen und Überschwemmungen. Ein zentraler Lösungsansatz ist eine bessere Energieeffizienz im Gebäudebereich. Hierbei müssen der winterliche und der sommerliche Wärmeschutz gleichrangig betrachtet werden. Während im Norden die Energie zum Heizen benötigt wird, muss im Süden die meiste Energie zur Kühlung aufgewendet werden. In Deutschland gibt es nach Angaben des CO 2 -Reports der Bundesregierung 17 Millionen Wohngebäude, die im Jahr Millionen Tonnen CO 2 durch Heizen und Kühlen emittiert haben. Die Aufgabe von Gebäudehülle und Haustechnik ist die Energie effizienter zu nutzen. Hierbei wird der Neubau die Vorreiterrolle auf dem Weg zum Energiegewinnhaus übernehmen, in dem sogar Überschüsse produziert werden. Die für Europa seit 2002 geltende Richtlinie zur Energieeffizienz von Gebäuden EPBD (Energy Performance of Buildings Directive) ist die Grundlage der Energieeinsparverordnung (EnEV). Die kontinuierliche Reduzierung des baulichen Energieverbrauchs führt zur weiteren Verschärfung der EnEV. Die Mindestanforderungen für bauliche Modernisierung betragen für den U-Wert von Fenstern derzeit 1,3 W/(m²K). Es wird erwartet, dass in der Novellierung im Jahr 2012 die Anforderung auf ca. 0,9 1,0 W/(m²K) reduziert wird. Durch die Novellierung der EPBD im Jahr 2010 (recast der EPBD) wird vorgegeben, dass alle Neubauten in der EU ab 2020 fast keine Energie mehr zum Heizen, Warmwasser, Lüften und Klimatisieren verbrauchen sollen und somit Nullenergiegebäude zum Standard werden. Die notwendigen zukünftigen Entwicklungen zur Verbesserung der Energieeffizienz von Fenstern, Fassaden und Glas lassen sich wie folgt ableiten: Verbesserung der wärmedämmenden Eigenschaften (Bauelement sowie Einbau) Nutzung der Sonnenenergie, Optimierung des sommerlichen Wärmeschutzes, Reduzierung von Kunstlichteinsatz mittels besserer Tageslichtnutzung, Minimierung der Lüftungswärmeverluste und Sicherstellung einer Mindestlüftung, Energieeinsparung durch Anbindung der Gebäudehülle an die Haustechnik.

2 Seite 2 von 11 Bild 1 Das Fenster als modernes Energiegewinn-Bauteil Fensterprofile Die energetischen Optimierungspotenziale für Fensterprofile konzentrieren sich auf folgende Aspekte: Einsatz neuer Materialien mit geringerer Wärmeleitfähigkeit Optimierung der Profilgeometrie (Kammeranzahl, verbesserte Wärmedämmzonen), Verbesserung der Fenstersysteme (Dichtungsebenen, Glaseinstand, Kastenfenster), Reduzierung der Profilbreiten (höherer Glasanteil), verbesserte Baukörperanschlüsse (Überdämmung der Blendrahmen), Entwicklung neuer Glaseinbindungen. Kunststofffenster Bei Kunststofffenstern ist die thermische Schwachstelle die Stahlaussteifung der Profile, da Stahl mit einer Wärmeleitfähigkeit von = 50 W/(mK) fast den 300-fachen Wert gegenüber PVC mit = 0,17 W/(mK) aufweist. In der Vergangenheit wurde der Wärmeschutz durch eine Erhöhung der Kammeranzahl verbessert, jedoch nimmt die relative Verbesserung der Dämmwirkung mit zunehmender Kammeranzahl und Bautiefe ab.

3 Seite 3 von 11 Bild 2 U f in Abhängigkeit von der Kammeranzahl Um die Wärmeverluste durch den Rahmen weiter zu reduzieren sind also weiterführende Konzepte notwendig. Integration von Dämmstoffen sowie eine thermische Trennung der Aussteifungen sind hierbei häufige Konzepte. Die Verbesserung des Wärmeschutzes geht mit einer Erhöhung der Bautiefe des Rahmens einher. Während früher Profile mit einer Bautiefe von 60 mm bis 70 mm gängig waren, betragen die Bautiefen heutiger Profile bis zu 90 mm. Holzfenster Bei Holzfenstern ergeben sich Verbesserungsmöglichkeiten durch die Erhöhung der Bautiefe und durch den Einsatz von Verbundprofilen, bei denen Holzlamellen mit Werkstoffen verklebt werden, die eine geringere Wärmeleitfähigkeit haben, beispielsweise Polyurethan- Hartschäume (PUR) und Kork, die sich gut mit Holz verkleben lassen, eine ausreichende Festigkeit haben und mit -Werten zwischen 0,04 0,05 W/(mK) eine deutlich bessere Wärmedämmung aufweisen als Weichholz mit 0,13 W/(mK). Tabelle 1 U f -Werte von Holzrahmen (Weichholz) in Abhängigkeit der Bautiefe Bautiefe in mm 68 1,4 78 1,3 86 1,2 Uf-Wert in W/m 2 K 2 n. DIN EN

4 Seite 4 von 11 Verbundfenster Verbundfenster sind eine moderne Weiterentwicklung des Kastenfensters und bestehen aus zwei getrennten Fensterflügeln, die in einem Blendrahmen sitzen. Der innere Flügel nimmt in der Regel das Isolierglas auf, der äußere ein Einfachglas. Die beiden Flügel werden für Reinigungs- und Wartungszwecke lösbar verbunden. Der verbleibende Zwischenraum kann für Sonnenschutz-, Lichtlenkungs- und Lüftungseinrichtungen genutzt werden und wird über geringe Fugen (< 2 mm) nach außen belüftet, die den Wärmeschutz nicht verschlechtern. Mit Verbundfenstern kann der Wärmeschutz um 0,2-0,3 W/(m²K) verbessert werden, gleichzeitig ist auch der Schallschutz um ca. 3-5 db günstiger. Geklebte Fenster Ein weiterer Ansatz zur Weiterentwicklung ergibt sich durch das Einkleben der Glasscheibe in den Rahmen. Der Vorteil dieser Fügeart ist, dass das Glas als aussteifendes Element wirkt. Ein Ansatz, der sich im Automobilbereich bereits lange bewährt hat. Dies ermöglicht Konstruktionen mit geringeren Ansichtsbreiten und bei Kunststofffenstern die Reduzierung bzw. den Verzicht auf Stahlprofile beides Maßnahmen, die den Wärmeschutz verbessern. Generell ist für geklebte Konstruktionen eine sorgfältige Verarbeitung nach den Vorgaben des Systemgebers und die Verwendung von hochwertigen Klebstoffen erforderlich. Bild 3 Verbesserung des U f -Wertes eines 3-Kammerprofils durch geklebte Verglasung

5 Seite 5 von 11 Verglasung Wärmetechnische Entwicklungen wurden häufig durch Innovationen der Glasindustrie initiiert, und so wird sich auch das Dreifach-Isolierglas schnell zur Standardverglasung entwickeln. Isoliergläser müssen viele weitere Funktionen erfüllen, beispielsweise Sicherheitsfunktionen, Schallschutz- oder Brandschutzeigenschaften. Tabelle 2 Anhaltswerte heute üblicher Standard-Isoliergläser Glas Gesamtenergiedurchlassgrad g Lichttransmissionsgrad Wärmedurchgangskoeffizient [ ] [ ] [W/(m²K)] 2-Wärmeschutzglas ca.62 % ca. 80 % 1,0 1,3 3-Wärmeschutzglas ca % ca. 70 % 0,6 0,8 U g Weitere Verbesserungen ergeben sich durch die Verwendung wärmetechnisch verbesserte Randverbünde. Durch den Einsatz solcher sog. warme Kanten Systemen kann der U-Wert des kompletten Fensters um ca. 0,1 W/m 2 K verbessert werden. Zusätzlich wird die innere Oberflächentemperatur im Glasrandbereich deutlich erhöht. Die Gefahr von Tauwasser am Glasrand wird daher drastisch reduziert. Motor Sonne Die verfügbare Sonnenenergie ist mal höher als der weltweite Energiebedarf. Es ist die Aufgabe der Bautechnik dieses Reservoir nutzbar zu machen Fenster, Fassaden und Glas können dabei helfen. Bild 4 Vergleich der natürlichen Energieressourcen mit dem Energiebedarf

6 Seite 6 von 11 Um die energetische Leistungsfähigkeit von Fenstern und Glas zu bewerten, ist deshalb für zukünftige Regelwerke ein Bilanzwert sinnvoll, wie bereits in der Wärmeschutzverordnung 95 als äquivalenter U-Wert U eq eingeführt. Dies hat den Vorteil, dass bei der Beurteilung der Energieeffizienz eines Bauteils neben den Wärmeverlusten auch die Wärmegewinne mit berücksichtigt werden. Bild 5 Nutzung und Bewertung der solaren Wärmegewinne von Fenstern und Glas Eine einseit ige U g -Wert-Optimierung des Iso lierglases ohn e Berücksi chtigung der solaren Gewinne ka nn sogar zu einem Mehrverbrauch führen, wi e das Berechnungsbeispiel (Fall U g = 1,0 W/m 2 K) zeigt. Bild 6 Nutzung und Bewertung der solaren Wärmegewinne von Fenstern und Glas

7 Seite 7 von 11 Der U-Wert der Verglasung und der Gesamtenergiedurchlassgrad g sind die bestimmenden Faktoren und deshalb sind hier weitere Entwicklungen, im speziellen bei der gleichzeitigen Optimierung dieser Werte, zu erwarten. Photovoltaik und Solarthermie können den Restenergiebedarf von Gebäuden decken und so dezentral die notwendige Energie für zukünftige Antriebs- und Steuerungstechnik von Fenstern und Sonnenschutzeinrichtungen zur Verfügung zu stellen. Durch den intelligenten, gesteuerten Einsatz der Verschattung, der Nutzung von thermischen Pufferspeichern sowie Lichtlenkungssystemen, können die solaren Gewinne optimal genutzt werden, ohne dass es zur Überhitzung der Räume kommt. Sonnenschutz Neben dem Energieverbrauch im Winter dürfen die Energieaufwendungen für Kühlung im Sommer nicht unterschätzt werden, die je nach Klima, Gebäudeausstattung, Nutzung und Klimatechnik um ein Vielfaches über der Heizenergie liegen. Wichtige Faktoren zur Reduzierung der Klimalast sind der sommerliche Wärmeschutz und die Lüftung, ideal als geregelte natürliche Nachtlüftung. Sonnenschutzverglasungen sind leistungsfähig und können eine mögliche Überhitzung deutlich reduzieren. Sie sind jedoch statische Systeme mit niedrigem, konstantem g-wert. und reduzieren somit die solaren Gewinne auch dann, wenn sie benötigt werden. Außenliegende Sonnenschutzsysteme sind am effektivsten, da sie die Solarstrahlung reduzieren, noch bevor sie ins Gebäude gelangt. Sie haben aber den Nachteil der Witterung ausgesetzt zu sein und müssen ggf. durch Windwächter bei Sturm vor Zerstörung geschützt werden. Es gibt jedoch auch Systeme, die hohen Windgeschwindigkeiten widerstehen. Ein weiteres Thema ist ggf. die Wartung und Reinigung. Diese Nachteile vermeiden Systeme, die im Scheibenzwischenraum des Isolierglases eingebaut sind. Diese sind vor Beschädigung und Verschmutzung geschützt, müssen aber eine hohe Dauerhaftigkeit aufweisen, da der Sonnenschutz für Wartung und Reparatur nicht mehr zugänglich ist.

8 Seite 8 von 11 Bild 7 Sonnenschutz im Scheibenzwischenraum Mehrschalige Fenster und Fassaden wie z.b. Verbundfenster und Zweite-Haut-Fassaden ermöglichen die Integration von Verschattung im witterungsgeschützten Bereich, Der Vorteil gegenüber Lösungen im Isolierglas ist hierbei dass die Systeme für Wartung und Reparatur zugänglich sind. Neben den hier angesprochenen klassischen Systemen gibt es noch eine Reihe innovativer Entwicklungen im Sonnenschutzbereich wie z. B. elektrochrome Verglasungen und speziell gefertigte Lamellensysteme, die auch zur Tageslichtlenkung dienen. Der Einsatz von Verschattungen darf nicht dazu führen, dass das Tageslichtangebot nicht mehr für die Beleuchtung der Innenräume ausreicht und unnötige Energie für die Innenraumbeleuchtung erforderlich wird. Noch stärker als bisher müssen deshalb die Forderungen Lichtstärke und Blendschutz vereinbart werden. Dies gelingt z.b. durch winkelselektive Sonnenschutzelemente, die physikalische Gesetze wie Lichtbrechung (Prismen) oder Reflexion (Spiegelreflektor) nutzen.

9 Seite 9 von 11 Lüften Wohnräume müssen aus gesundheitlichen und bauphysikalischen Gründen belüftet werden. Der hygienisch notwen dige Frisch luftbedarf be trägt in Abhängigkeit v on der körp erlichen Tätigkeit ca. 10 bis 25 m 3 /h pro Person. Die baulich notwend ige Lüftung muss die anfallende Luftfeuchte abtransportieren, die durch Pflanzen, Waschen oder Kochen entsteht u nd bei zu geringen Oberflächente mperaturen zu Tauwa sserausfall und Schimmelpilzbildu ng führen kann. Neue luftdichte Baukonstruktionen u nd ein geändertes Lüftungsverhalten (aus Gründen de r Energieeinsparung lü ften Nutzer oft teilweise viel zu wenig) führten in den letzten Jahren zu einer höheren Feuchtebelastung im Innenraum und damit zu Diskussionen über den n otwendigen Luftwechsel sowie die Grenzen der Fensterlüft ung. Im Ra hmen der Überarbeitung der DIN wurde diesem Sachverhalt Rechnung getragen. So fordert die im Mai 2009 veröffentlichte Norm eine nutzer unabhängige Lüftung, die mindestens die sog. Lüftung zu m Feuchtschutz sicher stellen muss. Eine nutzerunabhän gige Lüftun g ist eine Lüftung, die primär mittels se lbsttätig regelnder Lüftungsko mponenten erfolgt, um einen bestimmten Luftwechsel zu gewährleisten. Dezentrale ins Fenster integrierte Lüftungsgeräte oder elemente sogenannte Fensterlüfte r, evtl. i n Kombin ation mit anderen Lüftungskomponenten im Gebäud e wie z. B. Abluftventilatoren, könn en eine Lüftung nach DIN gewährleisten. Durch den richtigen Einsatz solcher L üftungsgeräte oder - elemente kann eine der häufigsten Ursachen des Schimmelpilzwach stums ungenügende und falsche Lüftung weitestgehend verhindert und damit ein Großteil an Scha densfällen vermieden werden. Einbindung des Fenster in die Gebäudetechnik Speziell un ter dem Aspekt der Energieeinsparungen im Gebäud ebereich bietet die Automatisierung sowie die Einbind ung von Fe nstern und Fassaden in die Gebäudetechnik neue Anknüpfungspunkte. Bild 8 Integration des Fensters in die Gebäudetechnik

10 Seite 10 von 11 So kann z. B. ein automatisch betätigter Sonnenschutz zu erhebliche n Einsparungen von Kühlkosten sowie zu Einsparung von Beleucht ungskosten beitragen. Diesem An satz wird bereits beim der Pl anung von Nichtwohngebäuden Rechnung getragen, da ein automatisierter Sonnenschutz im Rahm en der Berechnung des Energiebedarfs von Gebäuden gegenüber einem nicht automatisierten Sonnenschutz von Vorteil ist. Die Rückmeldung des Öffnungszustandes d es Fenster s an die Heizungstechnik und gleichzeitiges Ausschalten der Heizkörper ist ein weiterer ganz einfach er Ansatz, um d urch intelligente Fenster und entsprechende Kopplung an andere Gewerke Energie einzusparen. Fenster und Fassaden, die durch motorisches Öffnen und Schließen von Fensterflügeln in Verbindung mit entsprechender Sensorik zu bedarfsgerechter und somit energieeffizienter Lüftung beitragen. Speziell zur Vermeidung vo n Klimatisierung in Nichtwohngebäuden kann durch solche Bauelemente die Nachtkühlung sichergestellt werden. Wichtig ist es, dass solche Effe kte in Zukunft in den entsprech enden Verfahren zur Berechung des Primärenergiebeda rfs eines G ebäudes be rücksichtigt werden. Neben der Verbesserung der Energieeffizien z können durch den Einsatz von Automatisierung und Elektronik im Fenster und in der Fassade auch noch erhebliche Nutzen in anderen Bereichen wie - Komfort - Sicherheit - Barrierefreies Bauen erreicht werden Fazit Die Reduzierung des baulichen Energieverbrauchs um 2/3 ist mit heute verfügbarer Technik wirtschaftlich möglich. Fenster, Fassaden und Verglasung werden sich zu intelligenten Bauteilen entwickeln und eine automatische Anpassung an die äußeren Klimaeinflüsse, die Nutzeranforderungen sowie an die Haustechnik zulassen. Wie Haut und Kleidung beim Menschen wird die Gebäudehülle von morgen das Wohlbefinden der Bewohner mit einem Minimum an Energie ermöglichen. Neben Fragen der Wirtschaftlichkeit, die sich ja mit ständig steigenden Energiekosten jährlich ändert, ist die Frage der Nachhaltigkeit zu betrachten, denn die Natur kennt keine Geldwerte, sondern nur Energiebilanzen.

11 Seite 11 von 11 Autoreninfo: Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Sieberath Ulrich Sieberath ist der Leiter des ift Rosenheim. Seit über 25 Jahren ist er in der Fenster-, Fassaden-, Tür- und Glasbranche tätig und stellt seine umfangreiche Erfahrung und Sachkenntnis in einer Vielzahl von technischen Ausschüssen und Fachgremien sowie als Gutachter, Fachreferent, Autor und Lehrbeauftragter national und international zur Verfügung. Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Benitz-Wildenburg Jürgen Benitz-Wildenburg leitet im ift Rosenheim den Bereich PR & Kommunikation. Als Schreiner, Holzbauingenieur und Marketingexperte ist er seit vielen Jahren in der Holz- und Fensterbranche in verschiedenen Funktionen tätig. Als Lehrbeauftragter, Referent und Autor gibt er seine Erfahrung weiter. Dipl.-Phys. Norbert Sack Norbert Sack leitet im ift Rosenheim den Bereich Forschung und Entwicklung. Als gelernter Maschinenbauer und Dipl. Physiker ist er seit vielen Jahren in der Bauphysik und Forschung tätig. Als Lehrbeauftragter, Referent und Mitglied in Normen und Fachausschüssen gibt er seine Erfahrung weiter.