ENERGIE - BAUPHYSIK - TGA

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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, Schimmelpilzbefall, Nachweisverfahren Feuchteschutz, Feuchtetransport Glaserverfahren Heizung, Heizsysteme Lüftung, Lüftungssysteme EnEV-Berechnung excel Wiederholung Ferien Ferien Vorbereitung Prüfung Prüfung nicht mittwochs Moodle: Bph_Arch_WS16/17

3 PROGRAMM VORLESUNG 5 Oberflächen- und Schichttemperaturen Außenwände gem. Baujahrestypologien Auswirkung von Dämmungen Bestimmung von Temperaturen der Schichtgrenzen

4 BEHAGLICHKEIT Empfundene Behaglichkeit Raumlufttemperatur Oberflächentemperatur Raumluftfeuchte Luftbewegung (Temperaturverteilung) Abhängig vom Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert), Innen- u. Außentemperatur

5 OBERFLÄCHENTEMPERATUR

6 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) 1,5 W/m2K, b) 0,3 W/m2K c) 0,20 W/m2K Temperaturdifferenz: jeweils 20 C innen, -10 C außen; 30 K

7 OBERFLÄCHENTEMPERATUR 1. Schritt: Wärmestromdichte q q = U x θ a) q = 1,5 W/m2K x 30 K q = 45 W/m2 b) q = 0,3 W/m2K x 30 K q = 9 W/m2 c) q = 0,2 W/m2K x 30 K q = 6 W/m2

8 OBERFLÄCHENTEMPERATUR 2. Schritt: Oberflächentemperatur θ si = θ i -(q x R si ) Θsi = Temperatur surface intern Behaglich? Beispiel a. θ si =20 C (45 W/m 2 x 0,13 m 2 K/W) θ si =14,15 C Außenluft -10 C Beispiel b. θ si =20 C (9 W/m 2 x 0,13 m 2 K/W) θ si =18,83 C Beispiel c. θ si =20 C (6 W/m 2 x 0,13 m 2 K/W) θ si =19,22 C

9 OBERFLÄCHENTEMPERATUR Übung: Berechnung der Oberflächentemperatur a) Außenmauerwerk Kalksandstein mit 16 cm WDVS U = 0,18 W/m 2 K b) Außenmauerwerk Kalksandstein ohne WDVS U = 1,13 W/m 2 K Innentemperatur: 20 C, Außentemperatur: -5 C, R si = 0,13 m 2 K/W q =? θ si =?

10 WÄRMESCHUTZ IM BESTAND Wärmeschutz rückblickend Baujahr Spezifischer Heizwärmebedarf [kwh/m 2 a] Bis1918 ca ca.15 Ca ca ca.13 Ca ca ca.30 Ca ca Anteil am Gebäudebestand [%] 11% 15% bis % % % Ca. 71 % vor 30% Wärmeschutzverordnung ca Ca ca Ca ca Ca.11 9 Ab 1996 ca Ca. 8

11 WÄRMESCHUTZ IM BESTAND U-Werte alter Bauteile - bis 1918 Bauteil Konstruktionsbeschreibung U-Wert, circa [W/m 2 K] Außenwände Vollziegelmauerwerk mit Wandstärken von 20, 25 oder 38 cm, verputzt oder Sichtmauerwerk 1,4 2,3 Regional sind zweischalige Ziegelkonstruktionen mit Luftzwischenraum üblich 1,3 1,8 Fachwerkwand aus Nadel oder Laubholzquerschnitten von etwa 14/14 cm. Ausfachung z. B. Lehm-Strohgemisch auf Weidenholzgeflecht oder Ausmauerung mit Lehm-, Bimssteinen oder Ziegel 1,0 1,9 Kellerdecke Oberste Geschossdecke Preußische Kappendecke aus Vollziegeln; oberseitig Sandschüttung zwischen Lagerhölzern, darauf Dielenbelag Scheitrechte Kappendecke aus Ortbeton; oberseitig Sandschüttung zwischen Lagerhölzern, darauf Dielenbelag Holzbalkendecke mit Lehmschlag, Sand- oder Schlackenfüllung; unterseitig Putz auf Putzträger, oberseitig Dielenboden Holzbalkendecke mit Schlacke-, Sand- oder auch Lehmfüllung; unterseitig Putz auf Putzträger, oberseitig Dielenboden Dachschräge Ggf. raumseitig Putzträger oder Holzverschalung mit Verputz 2,5 0,9 1,1 0,8 1,2 0,7 1,3 0,7 1,3 Fenster Ursprünglich Einscheiben-Kittverglasungen, Holzrahmen; z. T. als Kastenfenster ausgebildet Erfolgter Austausch gegen 2-Scheibenverglasung(Isolierverglasung, Verbundoder Kastenfenster) 3,2-5,4 2,6 3,3

12 WÄRMESCHUTZ IM BESTAND U-Werte alter Bauteile 1919 bis 1949 Bauteil Konstruktionsbeschreibung U-Wert, [W/m 2 K] Außenwände Mauerwerk meistens aus 25 cm oder 30 Voll- oder Lochziegel, seltener auch aus Kalksandsteinen oder Bims, beidseitig verputzt. Regional auch mit Verblendern als Sichtmauerwerk ausgeführt 1,6 1,9 Zweischaliges Vollziegelmauerwerk mit Luftschicht, häufig als Sichtmauerwerk ausgeführt 1,4 1,5 Mauerwerk aus 25 oder 30 cm Hohlblockmauerwerk aus Bimsbeton oder Bimssteinen, verputzt 1,05 1,2 Kellerdecke Fachwerkwand aus Nadelholzquerschnitten von etwa 14/14 cm. Ausfachung z.b. Lehm- Strohgemisch auf Weidenholzgeflecht Kappendecke aus Ortbeton oder Ziegel, oberseitig Sand- oder Schlackenschüttung und Holzdielen 0,9 1,9 0,8 1,2 Dachschräge Raumseitige Anordnung von Holzwolleleichtbauplatten (etwa 2,5 cm stark) auf Sparren befestigt, verputzt. Keine Dämmung ca. 1,8 Raumseitig Holzschalung auf Sparren befestigt. Keine Dämmung ca. 2,6 Flachdächer Holzbalken oder Betonkonstruktion 1,0 2,2 Oberste Geschossdecke Holzbalkendecke mit Blindboden. Sand- oder Schlackeschüttung, auch Lehmschlag unterseitig Putzträger und Verputz, oberseitig Dielenboden 0,7-1,3 Fenster Einscheiben-Kittverglasung, Holzrahmen. Z.T. als Kasten- oder Doppelfenster ausgebildet 3,0-5,4 Z.T. erfolgter Austausch gegen 2-Scheibenverglasung(Isolierglas, Verbund- od. Kastenfenster) 2,6 2,9

13 WÄRMESCHUTZ IM BESTAND U-Werte alter Bauteile 1950 bis 1959 Bauteil Konstruktionsbeschreibung U-Wert, [W/m 2 K] Außenwände Mauerwerk aus 24 36,5 cm Hohlblockmauerwerk aus Bimsbeton o.ä. 0,9-1,5 Mauerwerk aus 24 36,5 cm Hochlochziegel oder Kalksandstein 1,2 1,8 2-schaliges Mauerwerk je 11,5 cm, 6 cm Luftschicht 1,35 1,5 Kellerdecke Ortbetondecke mit schwimmendem Estrich und 1,5 bis 2,5 cm Dämmung z.b. aus Steinwolle, Holzwolleleichtbauplatten, Kokos, Kork Ortbetondecke mit Estrich auf Trennlage ohne Dämmung oder Dielenboden auf Lagerhölzern und Schüttung 0,9 1,3 2,0-2,3 Stahlsteindecke, verschiedene Konstruktionen 1,5 Dachschräge Raumseitige Anordnung von Holzwolleleichtbau-platten, etwa 2,5 cm, auf Sparren befestigt, verputzt 1,8 Oberste Geschossdecke Ortbeton- oder Fertigteildecke mit schwimmendem Estrich, 1,0 2,5 cm Dämmung 1,05 1,5 Holzbalkendecke mit Schlackefüllung 0,7 1,1 Flachdach Ortbetonplatte mit etwa 4 cm Mineralfaser- oder Polystyroldämmung 0,85 Fenster Einscheiben-Kittverglasung, Holzrahmen 4,8-5,4 Glasbausteine 3,6 5,0 2-Scheibenverglasung(Isolierverglasung, Verbund- oder Kastenfenster) 2,6 2,9

14 WÄRMESCHUTZ IM BESTAND U-Werte alter Bauteile 1960 bis 1969 Bauteil Konstruktionsbeschreibung U-Wert [W/m 2 K] Außenwände Mauerwerk aus 24 36,5 cm Hochlochziegel, Kalksandstein, Beton- oder Schalungssteine verputzt oder mit 11,5 cm Klinker, Vormauerziegel oder Kalksandstein als Sichtmauerwerk verblendet 1,0-1,6 Mauerwerk aus 24 oder 30 cm Hohlblockmauerwerk aus Bimsbeton 1,0-1,3 Zweischaliger Wandaufbau mit ca. 3 cm Luftschicht. 24 cm Ziegel oder Kalksandstein, 11,5 cm Vormauerwerk 1,0-1,2 Betonbauweise, zweischalig mit Dämmung 0,8 1,1 Kellerdecke Dachschräge Flachdach Ortbetondecke mit schwimmendem Estrich und 2,5 bis 3,5 cm Dämmung z.b. aus Mineralfaser, Polystyrol, Kork Raumseitige Anordnung von Holzwolleleichtbau-platten (2,5 cm 5 cm stark) auf den Sparren, verputzt, gelegentlich bereits Gipskartonplatten, gestrichen 3 cm 4 cm dicke Mineralwollesteppmatten zwischen den Sparren, Holzwolleleichtbauplatten als Putzträger Ortbetondecke mit 4-6 cm Dämmung (Mineralfaser, Polystyrol). Als Warmdach oder als Kaltdach ausgeführt 0,8 0,9 1,1-1,8 0,66 0,83 0,55-0,85 Oberste Geschossdecke Ortbetondecke mit schwimmendem Estrich, 2,5 3,5 cm Dämmung(Mineralfaser, Polystyrol) 0,83 1,07 Holzbalkendecke mit 3 4 cm Mineralwollesteppmatten, unterseitig Holzwolleleichtbauplatten, verputzt 0,52 0,60 Fenster 2-Scheibenisolier-verglasung in Holz- oder Kunststoffrahmen 2,7 3,0 Glasbausteine 3,5 5,0

15 WÄRMESCHUTZ IM BESTAND U-Werte alter Bauteile 1970 bis 1977 Bauteil Konstruktionsbeschreibung U-Wert circa [W/m 2 K]) Außenwände Mauerwerk aus 30 36,5 cm, Hochlochziegel oder Kalksandstein, verputzt oder verblendet 0,70-1,29 Mauerwerk aus cm, Hochlochziegel oder Kalksandstein, mit 3 4 cm Wärmedämmverbundsystem Ortbetonwand ca cm, mit ca. 4 cm Wärmedämmung und Verkleidung, auch hinterlüftet cm Beton-Fertigteilbauweise mit 3 6 cm Dämmung, Luftschicht und Fertigteilfassade, auch ohne Luftschicht als Sandwichelement ausgeführt 0,65 0,83 0,7 0,8 0,55 0,95 Kellerdecke Ortbetondecke mit schwimmendem Estrich und 3 bis 4 cm Dämmung (Mineralfaser, Polystyrol) 0,68 0,84 Dachschräge Zwischensparrendämmung aus ca. 6 8 cm Mineralfasermatten, raumseitig Gipskartonplatten oder Profilbretterverkleidung 0,60 0,65 Oberste Geschossdecke Ortbetondecke mit schwimmendem Estrich, 3 4 cm Dämmung(Mineralfaser, Polystyrol) 0,75 0,92 Flachdach Ortbetondecke mit 6 cm Dämmung (Mineralfaser, Polystyrol). Als Warmdach oder als Kaltdach ausgeführt 0,45 0,53 Fenster 2-Scheibenisolier-verglasung in Holz-, Metall- oder Kunststoffrahmen 2,7 3,8

16 WÄRMESCHUTZ IM BESTAND U-Werte alter Bauteile 1978 bis 1983 Bauteil Konstruktionsbeschreibung U-Wert [W/m 2 K]) Außenwände Mauerwerk aus cm Hochlochziegel, verputzt oder verblendet 0,82-1,45 Zweischaliges Mauerwerk aus: 24 cm Kalksandstein oder Hochlochziegel mit Luftschicht, Dämmung und Vormauerschale. 0,54 0,88 Kellerdecke Ortbetondecke mit schwimmendem Estrich und 3 bis 4 cm Dämmung (Mineralfaser, Polystyrol). 0,68 0,84 Dachschräge Zwischensparrendämmung aus ca. 6-8 cm Mineralfasermatten, raumseitig Gipskartonplatten oder Profilbretterverkleidung. 0,60 0,65 Oberste Geschossdecke Ortbetondecke mit schwimmendem Estrich, 3 4 cm Dämmung (Mineralfaser, Polystyrol) 0,75 0,92 Fenster 2-Scheibenisolier-verglasung in Holz- oder Kunststoffrahmen 2,7 2,9

17 WÄRMESCHUTZ IM BESTAND U-Werte alter Bauteile 1984 bis 1994 Einhaltung heutiger Anforderungen an den Mindestwärmeschutz DIN Bauteil Konstruktionsbeschreibung U-Wert [W/m 2 K] Außenwände Mauerwerk, meist aus 36,5 cm porosiertem Hochlochziegel oder Porenbeton, verputzt oder verblendet 0,5 0,65 Zweischaliges Mauerwerk aus mit Tragschale aus 24 cm Ziegel oder Kalksandstein und WDVS oder hinterlüftete Fassade. Dämmstärke etwa 6 bis 8 cm Holz-Ständerbauweise mit ca. 12 cm Dämmung zwischen den Pfosten, ggf. zusätzliche Außendämmung 0,45 0,6 ca. 0,3 Kellerdecke Ortbetondecke mit schwimmendem Estrich und 5 cm Dämmung (Mineralfaser, Polystyrol) ca. 0,6 Oberste Geschossdecke Nicht ausgebautes Dachgeschoss: Ortbetondecke mit schwimmendem Estrich, ca. 8 bis 10 cm Dämmung(Mineralfaser, Polystyrol) 0,4 0,5 Holzbalkendecke bei Holzständerbauweisen, etwa 12 cm Dämmung ca.0,3 Dachschräge Ausgebautes Dachgeschoss: Zwischensparrendämmung aus ca. 12 cm Mineralfasermatten, raumseitig Gipskartonplatten oder Profilbretterverkleidung. Als Aufsparrendämmung ca. 8 bis 10 cm PUR-Hartschaum-platten 0,3 0,4 Fenster 2-Scheibenisolier-verglasung in Holz-, Kunststoff- oder Metallrahmen 2,4 2,7

18 WÄRMESCHUTZ IM BESTAND U-Werte alter Bauteile ab 1995 Bauteil Konstruktionsbeschreibung U-Wert [W/m 2 K] Außenwände Mauerwerk aus porosierten Ziegelsteinen oder Porenbetonsteinen 36,5 oder 42,5 cm, verputzt mit Dämmputz oder Leichtputz 0,25 0,4 Kellerdecke Zweischaliges Mauerwerk aus mit Tragschale aus 24 cm Ziegel oder Kalksandstein und WDVS oder hinterlüftete Fassade. Dämmstärke etwa 14 bis 16 cm. Holz-Ständerbauweise mit 20 bis 25 cm Dämmung zwischen den Pfosten, sowie außenseitiger Dämmung und raumseitiger Installationsebene Bei unbeheiztem Keller: Stahlbetondecke mit schwimmendem Estrich, Dämmung etwa 8 bis 12 cm auf der Stb.-Decke oder unterhalb. 0,2 0,35 0,11 0,3 0,3 0,5 Oberste Geschossdecke Nicht ausgebautes Dachgeschoss: Ortbetondecke mit schwimmendem Estrich, ca. 8 bis 12 cm Dämmung, oder Dämmung oberhalb 12 bis 20 cm. 0,25 0,4 Holzbalkendecke, etwa 14 bis 20 cm Dämmung 0,15 0,3 Dachschräge Ausgebautes Dachgeschoss: Zwischensparrendämmung, ca. 16 bis 18 cm dick. Ggf. zusätzlich oder nur Aufsparrendämmung 0,12 0,3 Fenster 2- oder 3-Scheiben Wärmeschutzverglasung in Holz- oder Kunststoffrahmen, auch mit Aluminium- Wetterschale. Glasleiste aus Kunststoff oder Edelstahl 0,9 1,3

19 OBERFLÄCHENTEMPERATUR Oberflächentemperatur θ si = θ i -(q x R si ) Wie verändert sich die Oberflächentemperatur, wenn ein Schrank an der Außenwand steht? Beispiel a. θ si =20 C (45 W/m 2 x 0,13 m 2 K/W) θ si =14,15 C Beispiel b. θ si =20 C (9 W/m 2 x 0,13 m 2 K/W) θ si =18,83 C Beispiel c. θ si =20 C (6 W/m 2 x 0,13 m 2 K/W) θ si =19,22 C

20 OBERFLÄCHENTEMPERATUR Wärmeübergangswiderstand und Möblierung Wärmeübergangswiderstand innen, 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 Gardinen: Rsi= 0,25 m²k/w Hinter Schrank: Rsi= 0,25 0,5m²K/W Ecke hinter Schrank, Einbauschrank: Rsi= 0,5 1,0m²K/W

21 OBERFLÄCHENTEMPERATUR Oberflächentemperatur θ si = θ i -(q x R si ) Wie verändert sich die Oberflächentemperatur, wenn ein Schrank an der Außenwand steht? Beispiel a. θ si =20 C (45 W/m 2 x 0,5 m 2 K/W) Beispiel b. θ si =20 C (9 W/m 2 x 0,5 m 2 K/W) Beispiel c. θ si =20 C (6 W/m 2 x 0,5 m 2 K/W)

22 OBERFLÄCHENTEMPERATUR Oberflächentemperatur θ si = θ i -(q x R si ) Wie verändert sich die Oberflächentemperatur, wenn ein Schrank an der Außenwand steht? Beispiel a. θ si =20 C (45 W/m 2 x 0,5 m 2 K/W) θ si =2,5 C Beispiel b. θ si =20 C (9 W/m 2 x 0,5 m 2 K/W) θ si =15,5 C Beispiel c. θ si =20 C (6 W/m 2 x 0,5 m 2 K/W) θ si =17 C

23 WÄRMESCHUTZ UND WÄRMEDÄMMUNG Temperaturprofile Wiederholung: Homogene Wand Wand mit Wärmedämmung außen Wand mit Wärmedämmung innen Wand mit Wärmedämmung innen und außen

24 OBERFLÄCHEN- UND SCHICHTTEMPERATUR Berechnung der Temperatur an den Schichtgrenzen Oberflächentemperatur innen: θ si = θ i -(q x R si ) Oberflächentemperatur Schichtgrenze 1: θ 1 = θ si -(q x R 1 ) allgemein: θ n = θ n-1 -(q x R n ) Beispiel: R si = 0,13 m 2 K/W Schicht 1. Kalkputz, d = 1,5 cm, λ= 1,0 W/mK R 1 = 0,015 m 2 K/W Schicht 2. Ziegel, d = 30cm, λ= 0,58 W/mK R 2 = 0,517 m 2 K/W Schicht 3. Mineralfaser, d = 14 cm, λ= 0,035 W/mK R 3 = 4 m 2 K/W Schicht 4. Kalkzementp. d = 1,5 cm, λ = 1,0 W/mK R 4 = 0,015 m 2 K/W R se = 0,04 m2k/w θ i = 20 C θ e = -5 C Wärmedurchlasswiderstand: R = 4,547 m 2 K/W Wärmeübergangswiderstand: R si = 0,13 m 2 K/W, R se = 0,04 m 2 K/W Wärmedurchgangskoeffizient: U = 0,211 W/m 2 K Wärmestromdichte (Temperaturdifferenz 25K (20 C,-5 C) q = 5,275 W/m 2 Temperaturberechnung: θ i = 20 C θ si = 20 -(5,275 W/m 2 x 0,13 m 2 K/W) θ si = 19,31 C θ 1 = 19,31 (5,275 W/m 2 x 0,015 m 2 K/W) θ 1 = 19,23 C θ 2 = 19,23 (5,275 W/m 2 x 0,517 m 2 K/W) θ 2 = 16,51 C θ 3 = 16,51 (5,275 W/m 2 x 4 m 2 K/W) θ 3 = -4,6 C θ 4 = -4,6 (5,275 W/m 2 x 0,015 m 2 K/W) θ 4 = θ se = -4,7 C θ e = -5 C

25 OBERFLÄCHEN- UND SCHICHTTEMPERATUR Berechnung der Temperatur an den Schichtgrenzen Oberflächentemperatur innen: θ si = θ i -(q x R si ) Oberflächentemperatur Schichtgrenze 1: θ 1 = θ si -(q x R 1 ) allgemein: θ n = θ n-1 -(q x R n ) Beispiel: R si = 0,13 m 2 K/W Schicht 1. Kalkputz, d = 1,5 cm, λ= 1,0 W/mK R 1 = 0,015 m 2 K/W Schicht 2. Ziegel, d = 30cm, λ= 0,58 W/mK R 2 = 0,517 m 2 K/W Schicht 3. Mineralfaser, d = 14 cm, λ= 0,035 W/mK R 3 = 4 m 2 K/W Schicht 4. Kalkzementp. d = 1,5 cm, λ = 1,0 W/mK R 4 = 0,015 m 2 K/W R se = 0,04 m2k/w θ i = 20 C θ e = -5 C Wärmedurchlasswiderstand: R = 4,547 m 2 K/W Wärmeübergangswiderstand: R si = 0,13 m 2 K/W, R se = 0,04 m 2 K/W Wärmedurchgangswiderstand: RT = 4,717 m 2 K/W Wärmedurchgangskoeffizient: U = 0,211 W/m 2 K Wärmestromdichte (Temperaturdifferenz 25K (20 C,-5 C) q = 5,275 W/m 2 Temperaturberechnung: θ i = 20 C θ si = 20 -(5,275 W/m 2 x 0,13 m 2 K/W) θ si = 19,31 C θ 1 = 19,31 (5,275 W/m 2 x 0,015 m 2 K/W) θ 1 = 19,23 C θ 2 = 19,23 (5,275 W/m 2 x 0,517 m 2 K/W) θ 2 = 16,51 C θ 3 = 16,51 (5,275 W/m 2 x 4 m 2 K/W) θ 3 = -4,6 C θ 4 = -4,6 (5,275 W/m 2 x 0,015 m 2 K/W) θ 4 = θ se = -4,7 C θ e = -5 C

26 OBERFLÄCHENTEMPERATUR innen: 20 C, außen: -5 C Außendämmung Außen-und Innendämmung Innendämmung U-Wert = 0,17 W/m 2 K U-Wert = 0,17 W/m 2 K U-Wert = 0,17 W/m 2 K

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