Wärmebrücken und der hygienische und energiesparende

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1 56 6/2003 und der hygienische und energiesparende Wärmeschutz Aus der ständig fortschreitenden Verbesserung des wärmetechnischen Standards von Gebäuden resultiert nicht nur die Optimierung der flächigen ungestörten Bauteile, sondern in besonderem Maße auch die der. Prof. Dr.-Ing.Thomas Ackermann, Fachhochschule Bielefeld, Fachbereich Architektur und Bauwesen Vortrag während der Wienerberger Mauerwerkstage 2003 Im Vergleich zu angrenzenden ungestörten Bauteilen kommt es im Bereich von zu erhöhten Wärmeströmen aus dem beheizten Bereich nach außen und damit neben den Energieverlusten auch zu verminderten Oberflächentemperaturen. Diese können dann zur Bildung von Schimmelpilzen auf der Bauteil-Innenoberfläche führen.das heißt, sind sowohl hinsichtlich ihres vermehrten Wärme- und damit Energieverlustes als auch hinsichtlich ihrer gesundheitlichen Unbedenklichkeit zu untersuchen. Im Folgenden sollen die Wirkungsweise, die Anforderungen und die möglichen Berechnungsmethoden von dargestellt werden. Baurechtliche Anforderungen Auch hinsichtlich der baurechtlichen Anforderungen an muss zwischen dem Aspekt der Hygiene bzw. Gesundheit und dem der Energieeinsparung unterschieden werden. Die Maßgaben des hygienischen Wärmeschutzes ergeben sich aus der Musterbauordnung (MBO) bzw. aus den daraus abgeleiteten Landesbauordnungen (LBO). In 3 Abs. 1 MBO wird festgelegt: Bauliche Anlagen... sind so anzuordnen, zu errichten, zu ändern und in Stand zu halten, dass die öffentliche Sicherheit, insbesondere Leben oder Gesundheit oder die natürlichen Lebensgrundlagen, nicht gefährdet werden. Die Vorgaben zur Energieeinsparung basieren auf dem Energieeinsparungsgesetz (EnEG). Dort heißt es in 1 Abs.1: Wer ein Gebäude errichtet, das seiner Zweckbestimmung nach beheizt oder gekühlt werden muss, hat, um Energie zu sparen, den Wärmeschutz... so zu entwerfen und auszuführen, dass beim Heizen und Kühlen vermeidbare Energieverluste unterbleiben. Die Umsetzung dieser baurechtlichen Anforderungen erfolgt in Bezug auf den hygienischen Wärmeschutz in DIN Wärmeschutz und Energieeinsparung in Gebäuden, Teil 2: Mindestanforderungen an den Wärmeschutz und in Bezug auf den energiesparenden Wärmeschutz in der Energieeinsparverordnung. Definition von Zum besseren Verständnis der Problematik ist zunächst zu erläutern, was man unter dem Begriff einer Wärmebrücke versteht. Eine Wärmebrücke kennzeichnet den Bereich einer Konstruktion, bei dem im Vergleich zu angrenzenden Flächen in Richtung des Temperaturgefälles ein höherer Wärmestrom zu verzeichnen ist.dies kann durch geometrische Effekte bzw. durch konstruktionsbedingte Eigenschaften oder durch den Wärmetransport aus Luftströmungen hervorgerufen werden. Man teilt daher entsprechend ihrer Entstehung in folgende Gruppen ein: geometrische konstruktionsbedingte konvektive. Die einfachste Form einer geometrischen Wärmebrücke bildet die Ecke eines Raumes oder Gebäudes. Während im Bereich der ungestörten Wand die wärmeaufnehmende Bauteilfläche A auf gleich der wärmeabgebenden A ab ist, reduziert sich in der Ecke die wärmeaufnehmende Fläche auf eine Linie bzw. bei einem Horizontalschnitt auf einen Punkt, während die wärmeabgebende Fläche die Außenabwicklung umfasst (Abb. 1, Abb. 2). Bei konstruktionsbedingten resultiert der vermehrte Wärmestrom im Bereich der Wärmebrücke aus unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten R von Baustoffen, die senkrecht zum Wärmestrom nebeneinander liegen. Das einfachste Beispiel einer solchen Konstruktion stellen steil geneigte Dächer dar. Die Sparren und die im Gefach eingebaute Wärmedämmung besitzen unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten, so dass es im

2 + Bauwirtschaft 6/ Abb. 1: Wärmeübertragende Flächen eines ungestörten Bauteils Abb.2: Wärmeübertragende Flächen einer geometrischen Wärmebrücke Bereich des Sparrens und im Bereich des Gefaches zu unterschiedlich hohen Wärmeströmen kommt (Abb. 3). Die vermehrten Wärmeströme und damit die Wärmeverluste sind bei konvektionsbedingten auf Undichtheiten in der Gebäudehülle zurückzuführen, über die die warme Innenluft nach außen abgeführt wird. Damit sinkt in diesem Bereich die Oberflächentemperatur si, und die Wärmeverluste nehmen zu. Schimmelpilzbildung Um das Wachstum von Schimmelpilzen zu ermöglichen, müssen auf Bauteil-Innenoberflächen entsprechende Randbedingungen gegeben sein. Zu diesen zählen das Vorhandensein einer Nährstoffbasis und ein feuchtes Milieu. Organische Substanzen als Nahrungsgrundlage liegen auf Bauteil-Innenoberflächen in vielfältiger Weise vor. Sie können beispielsweise aus Ablagerungen von Schmutz- oder Fettrückständen in der Raumluft resultieren oder sich aus den verwendeten Oberflächenmaterialien ergeben. Tapeten und Kleister bestehen in der Regel aus Materialien, die als Nährstoffbasis für Schimmelpilze dienen können. Der zweite Aspekt gilt der Existenz eines feuchten Mediums. Um diese Voraussetzung zu erfüllen, ist keine direkte Feuchteeinwirkung auf ein Bauteil erforderlich. Vielmehr enthält die uns umgebende Luft ständig Wasser in Form von Wasserdampf. Da die Aufnahmefähigkeit der Luft in Bezug auf Wasser(dampf ) von der Temperatur abhängig ist, heißt dies, dass die Luft einer bestimmten Temperatur eine genau definierte Menge Wasser aufnehmen kann. Ist der Maximalwert erreicht, befindet sich die Luft im Sättigungszustand. Zur physikalisch korrekten Beschreibung dieses Zustandes wird der Begriff des Sättigungsdampfdruckes verwendet.der Sättigungsdampfdruck ist der Anteil des Wasserdampfdrucks am Luftdruck, bei dem es zur Kondensation kommt.wird die gesättigte Luft weiter abgekühlt, kann sie nicht mehr die gesamte in ihr enthaltene Wassermenge aufnehmen. Der Überschuss kondensiert als so genanntes Tauwasser. Genau dieser Effekt, dass die maximale Wasseraufnahmekapazität der Raumluft überschritten wird, liegt dem Prozess der Feuchteablagerung auf Bauteil-Innenoberflächen zu Grunde. Überträgt man diese Ausführungen auf die Problematik der dann heißt das: Sinkt im Bereich einer Wärmebrücke auf Grund der erhöhten Wärmeströme nach außen die Innenoberflächentemperatur si unter die Sättigungstemperatur der Raumluft, fällt Tauwasser aus. Betrachtet man die Verhältnisse der Raum- Abb. 3: Darstellung einer konstruktionsbedingten Wärmebrücke mit R,1 < R,2Abb. 1 bis 3:Thomas Ackermann

3 58 6/2003 luft unter den in DIN festgelegten Randbedingungen, d. h. einer Innenraumtemperatur von i = 20 C und einer relativen Luftfeuchte von i = 50 %, dann kommt es auf einer Bauteil-Innenoberfläche zur Tauwasserbildung, wenn die Oberflächentemperatur einen Wert von si = 9,3 C unterschreitet. Wie Untersuchungen aus der jüngeren Vergangenheit zeigten, entsteht ein feuchtes Klima auf Bauteiloberflächen jedoch bereits bei Oberflächentemperaturen, die deutlich über der Taupunkttemperatur liegen. Der Grund hierfür ist in der Struktur der meisten Oberflächen und deren daraus resultierender physikalischer Eigenheit zu suchen. Viele im Innenausbau verwendete Baustoffe wie Tapeten, Putze, Mauersteine oder Beton weisen eine poröse Oberfläche auf. In den darin enthaltenen feinen Poren, den so genannten Kapillaren, stellt sich auf Grund des engen Querschnitts ein Luftdruck ein, der deutlich über dem der umgebenden Raumluft liegt. Bedingt durch den erhöhten Luftdruck kondensiert der Wasserdampf in den Kapillaren bereits bei wesentlich höheren Temperaturen als der Taupunkttemperatur. Die zitierten Laboruntersuchungen führten zu dem Ergebnis,dass es im Bereich der Kapillaren zum Tauwasserausfall kommt, wenn dort im Vergleich zur Oberfläche 80 % des Sättigungsdampfdruckes gegeben ist. Rechnet man diese Druckverhältnisse auf Oberflächentemperaturen um, so zeigt sich, dass auf Bauteil-Innenoberflächen bei einer Oberflächentemperatur unter si = 12,6 C mit Schimmelpilzbildung gerechnet werden muss. Hygienischer Wärmeschutz Nachdem mit den vorangegangenen Erläuterungen die Grundlagen zum Verständnis des hygienischen Wärmeschutzes geschaffen wurden, stellt sich im nächsten Schritt die Frage, wie die Erkenntnisse über eine Vermeidung von Schimmelpilzbefall auf Bauteil-Innenoberflächen in baurechtliche Anforderungen übertragen werden können. Aus den Darlegungen in Abschnitt 4 folgt, dass der hygienische Wärmeschutz eingehalten wird, wenn eine Bauteil-Innenoberflächentemperatur von 12,6 C nicht unterschritten wird. Das heißt entgegen der früheren Sichtweise, dass eine Oberflächentemperatur von 9,3 C als kritisch angesehen werden muss, ist nun eine wesentlich höhere Grenztemperatur einzuhalten. Auf Grund dieser Vorgabe wurden Vergleichsrechnungen für Ecken unterschiedlicher Bauteile durchgeführt mit der Zielsetzung, Kennwerte zu ermitteln, mit deren Hilfe das Kriterium einer Innenoberflächentemperatur si > 12,6 C eingehalten werden kann. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen spiegelt DIN : Tabelle 3 Mindestwerte für Wärmedurchlasswiderstände von Bauteilen wider. In Abschnitt 6.2 dieser Norm heißt es dazu: Ecken von Außenbauteilen mit gleichartigem Aufbau, deren Einzelkomponenten die Anforderungen nach Tabelle 3 erfüllen, bedürfen keines gesonderten Nachweises. Zu beachten ist dabei, dass der Mindestwärmeschutz an jeder Stelle vorhanden sein muss.das heißt,die Anforderungen gelten auch für Nischen unter Fenstern, Brüstungen von Fensterbauteilen, Fensterstürze, Wandbereiche auf der Außenseite von Heizkörpern und Rohrkanäle. Da es sich bei der Schimmelpilzbildung um eine Erscheinung auf Grund von Temperaturschwankungen handelt, spielt auch die Speicherfähigkeit des Bauteils eine Rolle. Die Mindestwerte des Wärmedurchlasswiderstandes R wärmeübertragender Bauteile nach DIN : Tabelle 3 beziehen sich daher auch nur auf Bauteile mit einer flächenbezogenen Gesamtmasse m 100 kg/m 2.Für Außenwände, Decken unter nicht ausgebauten Dachräumen und Dächer mit einer flächenbezogenen Gesamtmasse kleiner 100 kg/m 2 gelten mit R 1,75 m 2 K/W erhöhte Anforderungen. Bei Rahmen- und Skelettbauarten ist der erhöhte Wert nur für den Gefachbereich maßgebend. In Bezug auf die Gesamtkonstruktion ist zusätzlich ein mittlerer Wärmedurchlasswiderstand von R 1,00 m 2 K/W einzuhalten.der mittlere Wert R 1,0 m 2 K/W gilt auch für Rollladenkästen. Im Bereich des Rollladenkastendeckels genügt ein Wärmedurchlasswiderstand R 0,55 m 2 K/W. Mit Einführung von DIN : wurden erstmals auch Anforderungen an den Mindestwärmeschutz von Gebäuden mit niedrigen Innentemperaturen (12 C i < 19 C) gestellt. Für die wärmeübertragenden Bauteile dieser Gebäude gelten gleichfalls die Mindestwerte des Wärmedurchlasswiderstandes nach DIN : Tabelle 3. Die einzige Ausnahme bilden dabei Außenwände und Wände, die Aufenthaltsräume gegen Bodenräume oder Durchfahrten oder offene Hausflure oder Garagen oder das Erdreich abgrenzen. Für diese Wände ist ein Wert von R = 0,55 m 2 K/W ausreichend. Auf einen Nachweis der kritischen Oberflächentemperatur kann außerdem bei Konstruktionen nach Beiblatt 2 zu DIN 4108 verzichtet werden. In DIN : Abschnitt 6.2 wird dazu ausgeführt: Alle konstruktiven, formbedingten und stoffbedingten, die beispielhaft in DIN 4108 Bbl. 2 aufgeführt sind, sind ausreichend wärmegedämmt. Wichtig ist: Für alle Konstruktionen, deren Einzelelemente nicht die Anforderungen nach DIN : Tabelle 3 erfüllen oder die von den Lösungsvorschlägen nach DIN 4108 Bbl. 2 abweichen, ist der Nachweis der kritischen Oberflächentemperatur zu erbringen. Als Kriterium wurde dabei der Temperaturfaktor f Rsi nach DIN EN ISO eingeführt. Er wird wie folgt ermittelt: si e f Rsi = θ θ (1) θi θe Dabei bedeutet si : raumseitige Innenoberflächentemperatur i : Innenlufttemperatur e : Außenlufttemperatur Beim Nachweis gilt es, das Anforderungsniveau von f Rsi 0,7 einzuhalten. Einer Berechnung sind folgende normative Randbedingungen zu Grunde zu legen: i : 20 C i : 50 %, relative Feuchte der Raumluft si : 80 %, relative Feuchte auf der Bauteil- Innenoberfläche e : 5 C R si : 0,25 m 2 K/W, Wärmeübergangswiderstand innen bei beheizten Räumen R si : 0,17 m 2 K/W, Wärmeübergangswiderstand innen bei unbeheizten Räumen R e : 0,04 m 2 K/W, Wärmeübergangswiderstand außen Bei Bauteilen, die nicht an die Außenluft grenzen, sind den Berechnungen die Temperaturrandbedingungen nach DIN : Tabelle 5 zu Grunde zu legen. Da es sich bei in der Regel um komplexe Konstruktionen handelt, ist eine Berechnung der kritischen

4 + Bauwirtschaft 6/ Oberflächentemperatur si : meist nur unter Verwendung von programmen möglich. Dabei wird das Bauteil in einem Finite-Elemente-Programm abgebildet, mit dessen Hilfe Wärmeströme und Temperaturverteilung bestimmt werden. Der Nachweis der Schimmelpilzfreiheit kann auch für Räume geführt werden, deren Innenraumtemperatur und/oder relative Raumluftfeuchte von den oben genannten Werten abweicht. Jedoch ist auch für diese Fälle die Einhaltung des Temperaturfaktors f Rsi 0,7 zu belegen. Energiesparender Wärmeschutz Neben dem Aspekt des gesundheitlichen Wärmeschutzes stellen auch im Hinblick auf den energiesparenden Wärmeschutz ein erhebliches Verlustpotenzial dar.wie Untersuchungen im Zusammenhang mit der Vorbereitung der Energieeinsparverordnung (EnEV) zeigten, nimmt die Rate der Wärmeverluste über im Vergleich zu den Verlusten über ungestörte Bauteile bei einer Verbesserung des Dämmstandards der Gebäude prozentual immer mehr zu. Während es noch bei der Berechnung des Jahres-Heizwärmebedarfs Q h im Rahmen der WSchV 95 ausreichend war, die zusätzlichen Wärmeverluste durch dadurch zu erfassen, dass die Flächen der wärmeübertragenden Bauteile über Außenmaße ermittelt wurden (physikalisch richtig wären Innenmaße), zeigten Vergleichsrechnungen zur EnEV, dass dies nicht mehr genügt. Neben der schon bekannten Vergrößerung der wärmeübertragenden Bauteilflächen durch den Außenmaßbezug erfolgte mit der Einführung des pauschalen spezifischen zuschlags U WB bei der Berechnung von Q h nach DIN V eine weitere Berücksichtigung dieses Verlustpotenzials. Die zugehörigen Transmissionswärmeverluste HWB werden aus dem Produkt des zuschlags U WB und der Fläche A aller wärmeübertragenden Bauteile nach Gleichung 2 gebildet: H WB = U WB A (2) Dabei bedeutet: H WB : spezifische Transmissionswärmeverluste U WB : pauschaler spezifischer zuschlag A : Fläche aller wärmeübertragenden Bauteile Im Rahmen des Nachweises der baurechtlichen Anforderungen an den energiesparenden Wärmeschutz nach EnEV bietet DIN V drei Möglichkeiten, die Wirkung der Wärmeverluste, hervorgerufen durch, zu berücksichtigen: Setzt sich der Nachweisführende nicht mit der Problematik der auseinander und berücksichtigt er bei der Gebäudeplanung und Ausführung die Musterlösungen für wärmebrückenreduzierte Anschlüsse und Übergänge nach DIN 4108 Bbl.2 nicht, muss die Wirkung der vermehrten Transmissionswärmeverluste mit einem zuschlag von U WB = 0,10 W/ (m 2 K) angesetzt werden. Da der zuschlag U WB auf alle wärmeübertragenden Bauteilflächen angewendet wird, erhöht sich im vorliegenden Fall der Wärmedurchgangskoeffizient aller Bauteile um 0,10 W/(m 2 K). Falls zur Verminderung des einflusses Anschlüsse und Übergänge nach DIN 4108 Bbl. 2 zum Einsatz kommen,reduzieren sich die Transmissionswärmeverluste, sodass es ausreichend ist, einen pauschalen zuschlag von U WB = 0,05 W/ (m 2 K) zu verwenden. Die U-Werte der wärmeübertragenden Bauteile werden also nur um 0,05 W/(m 2 K) erhöht. Eine weitere Möglichkeit, die Wirkung von zu erfassen, liegt Abb.4: Parallel zu den Musterlösungen für wärmebrückenreduzierte Konstruktionen und Anschlüsse nach DIN V können Anwender auf attraktive Arbeitshilfen der Hersteller zurückgreifen. Beispielsweise beinhaltet der katalog von Wienerberger viele Ausführungsvorschläge in monolithischer Ziegelbauweise, deren Gleichwertigkeit mit den entsprechenden Details aus dem Beiblatt 2 zu DIN 4108 Kapitel 3.4 explizit aufgezeigt werden. details werden als gleichwertig betrachtet, wenn sich deren lineare verlustkoeffizienten um nicht mehr als +/ 0,03 W/(mK) unterscheiden. Detail: Kellerdecke Monolithisches Mauerwerk, beheizter Keller in der Berechnung des längenbezogenen verlustkoeffizienten oder des punktförmigen verlustkoeffizienten. In diesem Fall werden das Bauteil und seine Anschlüsse in einem programm abgebildet. Die Wirkung der betrachteten Wärmebrücke auf die Wärmeverluste im Vergleich zu den angrenzenden ungestörten Bauteilen wird mittels Finite-Elemente- Rechnungen ermittelt und im verlustkoeffizienten ausgedrückt.

5 60 6/2003 Abb. 5: Weitere Ausführungsvorschläge enthalten die Technische Information bzw.das neue Poroton-Planungstool von Wienerberger, die kostenlos angefordert werden können: Wienerberger Ziegelindustrie GmbH, Oldenburger Allee 26, Hannover; Fax: (0511) , Detail: Geschossdecke Außenwand mit Abmauerstein Abb. 4 und 5: Wienerberger Ziegelindustrie GmbH Im Gegensatz zu den pauschalen Wärmbrückenzuschlägen, die auf die Gesamtheit aller wärmeübertragenden Flächen angewendet werden, beziehen sich die verlustkoeffizienten nur auf die Länge des betrachteten Anschlusses oder auf die Stelle, an der die Wärmebrücke wirkt. Wird statt der pauschalen Berücksichtigung der wirkung über U WB der -Wert berechnet, muss diese Untersuchung für alle am Bauwerk vorkommenden Unstetigkeitsstellen durchgeführt werden. Bei der Berechnung der -Werte sind neben den Randbedingungen aus DIN : auch die Maßgaben aus DIN EN ISO bzw. DIN EN ISO zu berücksichtigen. Außerdem ist darauf zu achten, dass geometrische Festlegungen wie beispielsweise die Flächenanteile der verschiedenen Konstruktionselemente bzw. der Bezug auf Außen- oder Innenmaße, die bei der Eingabe der Wärmebrücke in ein entsprechendes Rechenprogramm getroffen werden müssen, auch in Folgerechnungen beachtet werden. Es ist z. B. nicht möglich, den -Wert einer Wärmebrücke durch einen Innenmaßbezug zu ermitteln, die Fläche der wärmeübertragenden Bauteile im Rahmen des Nachweises nach EnEV aber durch einen Außenmaßbezug. Beim Ansatz der pauschalen zuschläge U WB werden bei der Berechnung des spezifischen Transmissionswärmeverlustes HWB die Verluste von Gebäudekanten Fenster- und Türeinbauten in Laibungen Wand- und Deckeneinbindungen Deckenauflager wärmetechnisch entkoppelten Balkonplatten berücksichtigt. Zur Vermeidung erhöhter Transmissionswärmeverluste wird in DIN : Abschnitt außerdem festgelegt: Ohne zusätzliche Wärmedämmmaßnahmen sind auskragende Balkonplatten, Attiken, frei stehende Stützen sowie Wände aus Materialien mit R > 0,5 W/(mK), die in ungedämmte Dachbereiche oder das Freie ragen, unzulässig. Fazit Während in der Vergangenheit und die dadurch hervorgerufenen Probleme beim hygienischen Wärmeschutz und bei der Energieeinsparung häufig als untergeordnete Themen eingestuft wurden, treten diese Effekte bei der Verbesserung des wärmetechnischen Standards von Gebäuden immer mehr in den Vordergrund. Die Einhaltung der Anforderungen zur Vermeidung von Schimmelpilzbildungen auf Bauteil-Innenoberflächen und die Optimierung der in Hinblick auf die Verringerung der Wärmeverluste erfordern eine intensive Auseinandersetzung mit diesem Gebiet und eine detaillierte Planung von Anschlüssen und Übergängen. Bei der Zuhilfenahme der Musterlösungen aus DIN 4108 Bbl. 2 und entsprechenden Programmen zur Simulation von stehen den Planern Instrumente zur Verfügung, mit deren Hilfe für den späteren Nutzer optimale Ergebnisse erzielt werden können (Abb. 4 und 5). Weitere Artikel zu www. baumarktonline. info