SEF-Workshop Wärmebrücken Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 1 Dipl.-Ing. Andreas Raack, ENVISYS GmbH & Co. KG Detaillierte Bewertung von Wärmebrücken Grundlagen der Wärmebrückenbewertung Begriffsdefinitionen und normative Bezüge Der thermische Leitwert Nachweispflichten und Nachweisbefreiungen Wärmebrückenkonzepte Gleichwertigkeitsnachweise detaillierte Wärmebrückenberechnung Wärmebrückendefinition und -darstellung Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 2 Die Betrachtung von Wärmeströmen innerhalb von Bauteilen folgt den Gesetzmäßigkeiten der Wärmeleitung in festen Stoffen. Demnach entsteht ein Wärmestrom vom höheren zum niedrigeren Temperaturniveau, der sich von der Warm- zur Kaltseite auf dem kürzestem Wege ausbreitet. Bei länger anhaltenden Wärmeströmen bilden sich innerhalb des Materials Temperaturbereiche, die entsprechend des anliegenden thermischen Gefälles durch Isolinien, sogenannte Isothermen dargestellt werden können. In thermisch ungestörten (homogenen) Materialien verlaufen diese Isothermen parallel und in immer gleichen Abständen rechtwinklig zum auftretenden Wärmestrom. Wärmestromrichtung Kaltseite (-10 C) Isothermen (z.b. Abstand 2K) Warmseite (+20 C)
Wärmebrückendefinition und -darstellung Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 3 Um die Komplexität energetischer Bewertungsmodelle zu reduzieren, geht man in der praktischen Bauphysik dazu über, Bauteile wie Wände, Decken, Bodenplatten, etc. über die gesamte, jeweils zu betrachtenden Bauteilfläche als homogen zu betrachten. Punktuelle, flächige bzw. lineare Störungen der Homogenität an Bauteilen bezeichnet man als Wärmebrücken. Die Darstellung von Wärmebrücken erfolgt am Konstruktionsdetail über Isothermen oder Temperaturverläufe oder eine Kombination aus beiden Darstellungsformen. Isothermendarstellung Temperaturverlaufdarstellung Kombinierte Darstellung Materialbedingte Wärmebrücken Materialbedingte Wärmebrücken sind lokale, qualitative Schwächungen aufgrund des Einsatzes von Materialien unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit (z.b. Beton-Fensterstürze in Ziegelwand) in Form von vollständiger oder teilweiser Durchdringung eines ansonsten homogenen Bauteils. Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 4 Vollständige Durchdringung einer Außenwand, verursacht durch Leitungsdurchführung
Materialbedingte Wärmebrücken - Beispiele Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 5 Bildquelle: www.waermebrueckenportal.de Vollständige Durchdringung einer Außenwand durch Stahlstütze und Ringanker Vollständige Durchdringung einer Außenwand durch unzureichend gedämmten Betonsturz Konstruktive Wärmebrücken Konstruktionsbedingte Wärmebrücken treten üblicherweise als lokale quantitative Abweichungen von der üblichen Schichtdicke der angrenzenden Bauteile auf (z.b. als Heizkörpernischen, Schlitze für Installationsleitungen, Deckenauflager, Anschlüsse weiterer Konstruktionen etc.) Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 6 Dickenänderung einer Außenwand, verursacht durch Heizkörpernische
Konstruktive Wärmebrücken - Beispiele Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 7 Bildquelle: www.waermebrueckenportal.de Anschluss eines Stahlbeton-Torbogens an gedämmtes Außenmauerwerk Konstruktive Schwächung des Bauteilquerschnitts der Wand durch Fensterlaibung Geometrische Wärmebrücken Geometriebedingte Wärmebrücken treten immer dann auf, wenn die wärmeabgebende Bauteil-Außenfläche größer ist als die wärmeaufnehmende Bauteil-Innenfläche (z.b. Gebäudeecken, Wand-, Fußboden- und Deckenanschlüsse) Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 8 Wechsel von Innen- zu Aussenecke, bautechnisch korrekt behandelt
Geometrische Wärmebrücken - Beispiele Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 9 Bildquelle: www.waermebrueckenportal.de 3-dimensionale Raumecke mit ungedämmter oberster Geschoßdecke an ungedämmten Außenwänden Auskragende Stahlbetonplatte als Balkondecke Kühlrippe Konvektive Wärmebrücken Konvektive Wärmebrücken treten immer dann auf, wenn Undichtigkeiten (Bauteilfugen, Durchführungen von Installationsleitungen, usw.) an und in raumabschließenden Bauteilen vorhanden sind. Es entsteht ein Wärmestrom durch die konvektive Mitführung im Luftstrom, vom Warmen ins Kalte. Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 10 Bildquelle: www.waermebrueckenportal.de Konvektiver Wärmetransport an der Dachoberkante durch fehlende Luftdichtheitsebene
Mischformen von Wärmebrücken In der bautechnischen Praxis treten Wärmebrücken nur selten als klar definierbare Einzel- Typologie auf, sie bilden häufig hochkomplexe Mischformen. Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 11 Attikaanschluss Fenstersturz mit Rolladenkasten Sockel mit Streifenfundament Mischformen für Wärmebrücken - Beispiele Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 12 Bildquelle: www.waermebrueckenportal.de Fehlende Wärmedämmung im Sockelbereich zum ungedämmten Keller mit Garagenanschluss
Auswirkungen und Kennwerte von Wärmebrücken Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 13 An Wärmebrücken entsteht sehr häufig ein besonders hoher, lokal konzentrierter Wärmestrom, so dass die Oberflächentemperatur an der Innenseite von Außenbauteilen örtlich begrenzt stark absinkt. Das kann dazu führen, dass der sogenannte Taupunkt unterschritten wird ( 12,6 C unter normativen Nutzungs-Randbedingungen) und sich dementsprechend Tauwasser bildet oder eine Kapillarkondensation auftritt und damit die Grundlage für Entstehen und Wachstum von Schimmelpilzen gegeben ist. Desweiteren besteht die Gefahr einer dauerhaften Feuchteanreicherung im Bauteil, was letztlich Baustoffe oder Konstruktionen nachhaltig schädigen kann. Sowohl die energetischen Auswirkungen durch den erhöhten Wärmestrom als auch die Absenkung der Oberflächentemperatur an Innenbauteilen verhalten sich relativ unabhängig voneinander (instationärer Vorgang) und müssen daher gesondert bewertet werden. Maßgebliche Kenngröße für die Wärmestrombewertung einer Wärmebrücke ist der sogenannte - Wert (psi-wert), für die Bewertung von Oberflächentemperatur und Tauwasserbildung ist dies der frsi -Wert. Lokalisieren und Dokumentieren von Wärmebrücken Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 14 Es ist stets darauf zu achten, dass die wärmedämmende Hülle in keinem Bereich des Gebäudes geschwächt oder unterbrochen wird. Diese Vorgabe kann insbesondere in der Altbausanierung nicht immer konsequent eingehalten werden. Deshalb ist es notwendig zu Beginn des Planungsprozesses den Verlauf der thermischen Hülle genau zu definieren. Um einen idealen Überblick möglicher Schwachpunkte zu erhalten, sollten die thermische Hülle sowie gefährdete Bereiche in Schnitt und Grundriss eingezeichnet bzw. markiert werden. Identifikation und Auflistung relevanter Wärmebrücken (die Auflistung sollte grafisch nachvollziehbar aufbereitet werden 2D bzw. 3D) Beispiele:
Begriffsdefinition Definition für Wärmebrücken nach DIN EN ISO 10211-1: Teil der Gebäudehülle, wo der ansonsten gleichförmige Wärmedurchlasswiderstand signifikant verändert wird durch: Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 15 - eine vollständige oder teilweise Durchdringung der Gebäudehülle durch Baustoffe mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit - eine Änderung der Dicke der Bauteile - eine unterschiedlich große Differenz zwischen Innen- und Außenfläche, wie sie bei Wand-, Fußboden- und Deckenanschlüssen auftritt normative Bezüge DIN 4108 Beiblatt 2 - Planungs- und Ausführungsbeispiele (2006) - Begriffe, nationale Randbedingungen, Gleichwertigkeitsnachweis, Validierung Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 16 DIN EN ISO 10211 - Wärmebrücken im Hochbau (2008) (detaillierte Berechnungen für Wärmeströme und Oberflächentemperaturen) - Begriffe, Randbedingungen, Rechenverfahren für 2D und 3D DIN 4108 Teil 2 Mindestanforderungen Wärmeschutz (2003) - Vermeidung von Schimmelpilzbildung - Nachweis der Einhaltung DIN EN ISO 14683 - Wärmebrücken im Hochbau (2008) (vereinfachte Verfahren und Anhaltswerte) - Begriffe, Handrechenverfahren, Wärmebrückenkataloge
Definition thermischer Leitwert Der thermische Leitwert ist der auftretende Wärmestrom bezogen auf die Temperaturdifferenz zwischen 2 Temperatur- bzw. Raumbereichen, die durch eine bauliche Konstruktion wärmetechnisch miteinander in Verbindung stehen. Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 17 Innentemperatur 20 C Gesamt-Wärmestrom = 1573,5 W Aussentemperatur -5 C Leitwert absolut (L3D): 62,94 W/K ( = 25K) Leitwert längenbezogen (L2D): 17,01 W/mK (Wandlänge 3,7m) Leitwert flächenbezogen (L1D): 5,67 W/m²K (Wandhöhe 3m) (Wandfläche 11,1m²) Das Leitwertmodell Zur Vereinfachung der Betrachtung werden komplexe mehrdimensionale Wärmestrom- Modelle üblicherweise in ein-, zwei- und dreidimensionale Leitwertbereiche entsprechend ihrer räumlichen Ausdehnung aufgeteilt. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Berührungsflächen zwischen den Einflussbereichen adiabat sind. Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 18
Wärmestrom-Ermittlung Zur Ermittlung eines Gebäude-Gesamtwärmestroms (incl. WB-Einflüsse) ist die Ermittlung aller Leitwerte der wärmeübertragenden Umfassungsfläche notwendig. Gesamtwärmestrom = L 1D + L 2D + L 3D Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 19 L 1D - Leitwert eindimensional L 2D - Leitwert zweidimensional L 3D - Leitwert dreidimensional detaillierte Leitwert-Ermittlung Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 20 Das EnEV-Bilanzmodell verlangt aus Gründen der Vereinfachung lediglich eine eindimensionale Leitwertermittlung und berücksichtigt die Einflüsse der zwei- und dreidimensionalen Leitwerte über einen pauschalen Zuschlag WB. Für die detaillierte Berücksichtigung der zweibzw. dreidimensionalen Leitwerte in der Gebäudebilanz ist daher eine Differenzbildung der Wärmeströme aus eindimensionaler Betrachtung und dem Einfluss der mehrdimensionalen Wärmeströme notwendig. U Wert = 1D Leitwert (psi) Wert = 2D - Differenzleitwert (xsi) Wert = 3D - Differenzleitwert U1 U3 U2
Nachweispflichten für Wärmebrücken nach DIN 4108 Bbl.2 - bei Verzicht auf den pauschalen Zuschlag WB = 0,1 W/m²K durch Verwendung von Regelkonstruktionen nach DIN 4108, Bbl.2 (reduzierter Zuschlag WB = 0,05 W/m²K) - Hierfür ist ein Gleichwertigkeitsnachweis zu erstellen. Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 21 Dabei sind sowohl die - Vermeidung erhöhter Transmission (psi-wert) als auch die - Vermeidung niedriger Oberflächentemperaturen (f-wert) separat nachzuweisen. Es sind die Reglungen zu Randbedingungen und zu Ausnahmen entsprechend des jeweiligen Nachweises zu überprüfen und ggfls. anzupassen. Nachweisbefreiung für - Werte nach DIN 4108 Bbl.2 Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 22 - Anschluss Außenwand / Außenwand (Außen- und Innenecke) - Anschluss Innenwand an durchlaufende Außenwand oder obere/untere Außenbauteile die nicht durchstoßen werden bzw. eine durchlaufende Dämmschicht mit einer Dicke größer/gleich 100mm und Wärmeleitfähigkeit 0,04 - Anschluss Geschoßdecke (zwischen beheizten Geschossen) an Außenwand mit durchlaufender Dämmschicht R größer/gleich 2,5 m²k/w - Einzeln auftretende Türanschlüsse (von Wohngebäuden in der wärmeübertragenden Hüllfläche (Haustür, Kellerabgangstür, Kelleraußentür, Türen zum unbeheizten Dachraum - Kleinflächige Querschnittsänderungen in der wärmeübertragenden Hüllfläche (Steckdosen, Leitungsschlitze) - Anschlüsse kleinflächiger, außenluftberührter Bauteile (Unterzüge, untere Erkeranschlüsse mit außenliegender Dämmschicht R größer/gleich 2,5 m²k/w
Nachweisbefreiung für f - Werte nach DIN 4108 Bbl.2 - Ecken von Außenbauteilen mit gleichartigem Aufbau, deren Einzelkomponenten die Tabelle 3, Mindestwerte für Wärmedurchlasswiderstände von Bauteilen erfüllen Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 23 - alle gelisteten Wärmebrücken nach DIN 4108, Bbl. 2 (konstruktiv, form- und stoffbedingt) - Fensterbauteile (hier gilt DIN EN ISO 13788) Gleichwertigkeitsnachweis Identifikation und Auflistung aller relevanten Wärmebrücken. Die Auflistung sollte grafisch nachvollziehbar aufbereitet werden (2D bzw. 3D). Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 24 Beispiele:
Gleichwertigkeitsnachweis ohne Modellierung Eindeutige Zuordnung des konstruktiven Grundprinzips sowie Überprüfung der Übereinstimmung von Bauteilabmessungen und Baustoff-Eigenschaften Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 25 a) Finden des konstruktiven Prinzips b) Überprüfung der Abmessungen c) Überprüfung der Baustoff-Eigenschaften Bei Übereinstimmung ist der Nachweis der Gleichwertigkeit für das Detail erbracht. d) Bei Nicht-Übereinstimmung von Abmessungen oder Baustoff-Eigenschaften ist der Wärmedurchlasswiderstand der jeweiligen Schicht zu prüfen! Anschluss Flachdach Gleichwertigkeitsnachweis ohne Modellierung a) Finden des konstruktiven Prinzips - Auswahl des Konstruktionstyps in der Übersichtsmatrix (Bild-Nummer) Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 26
Gleichwertigkeitsnachweis ohne Modellierung a) Finden des konstruktiven Prinzips - Auswahl der Ausführungsart aus Bbl. 2 Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 27 Gleichwertigkeitsnachweis ohne Modellierung b) Überprüfung der Bauteilabmessungen - Erfassung der Maßtoleranzen relevanter Bauteilabmessungen - Vergleich mit den Abmessungen im Ausführungsdetail Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 28
Gleichwertigkeitsnachweis ohne Modellierung c) Überprüfung der Baustoffeigenschaften - Erfassung der relevanten Baustoffeigenschaften aus Bbl. 2 - Materialliste - Vergleich mit den Baustoffeigenschaften im Ausführungsdetail Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 29 Gleichwertigkeitsnachweis ohne Modellierung d) Überprüfung des äquivalenten Wärmedurchgangswiderstand der Schicht - Ermitteln der relevanten Schicht-R-Werte aus Bbl. 2 - Vergleich mit den relevanten Schicht-R-Werten im Ausführungsdetail Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 30
Gleichwertigkeitsnachweis ohne Modellierung d) Überprüfung des äquivalenten Wärmedurchgangswiderstand der Schicht - Ermitteln der relevanten Schicht-R-Werte aus Bbl. 2 - Vergleich mit den relevanten Schicht-R-Werten im Ausführungsdetail Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 31 R-Wert-Berechnung: R-Wert [m²k / W] = Schichtdicke [m] Wärmeleitfähigkeit [W/mK] Gleichwertigkeitsnachweis mit Modellierung Eindeutige Zuordnung des konstruktiven Grundprinzips sowie Überprüfung der Einhaltung des zulässigen Referenzwertes a) Finden des konstruktiven Prinzips Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 32 b) Ermittlung der Referenzwerte c) Ermittlung der Ist-Werte durch Modellierung und Berechnung d) Vergleich des Ist-Werts mit der Anforderung
Gleichwertigkeitsnachweis mit Modellierung a) Finden des konstruktiven Prinzips b) Ermittlung des Referenzwerts des Anschlussdetails aus Bbl. 2 c) Modellierung und Vergleich mit dem Anforderungswert nach Bbl. 2 Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 33 Modellierung nach DIN 10211 - Festlegen der Schnittebenen nach Wärmebrückenkonzept entsprechend DIN 10211 - Identifizierung des Zentralen Elements und der Flankierenden Bauteile Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 34 - Ermittlung des Einflussbereichs der Wärmebrücke dmin - Überprüfung auf Überlagerung von Wärmebrücken und evtl. Korrektur von dmin - Modellierung des Wärmebrückendetails in einer Software
Modellierung - Definition Schnittebene Ein geometrisches Modell kann mehr als eine Wärmebrücke enthalten. In diesem Falle müssen die Schnittebenen einen Abstand von mindestens dmin von jeder Wärmebrücke haben oder in einer Symetrieebene liegen. Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 35 Modellierung Definition zentrales Element Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 36
Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 38 Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 37 Modellierung Definition dmin Modellierung Ermittlung dmin (im Schnitt)
Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 40 Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 39 Modellierung Korrektur von dmin (im Schnitt) Modellierung - Ermittlung dmin (im Grundriss)
Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 42 Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 41 Modellierung - Sonderfall erdberührt nach ISO 13370 Modellierung - Sonderfall erdberührt nach ISO 13370
Modellierung nach DIN 10211 - Modellierung des Wärmebrückendetails mittels Software Definition von Hilfslinien Modellierung der Bauteile incl. ihrer thermischen Eigenschaften Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 43 Eingabe der Randbedingungen entsprechend Bbl. 2 für innen und außen Festlegen der ungestörten U-Werte und ihrer wirksamen Länge Starten der Berechnung Plausibilitätsprüfung der Berechnungsergebnisse 2 Berechnungen erforderlich (Gleichwertigkeit für psi-wert und f-wert) Vergleich mit Anforderungswerten aus Bbl.2 ENVISYS-Support Kompetente Kunden-Unterstützung Rev. 00 / Stand: Januar 2013 ENVISYS / Wärmebrückenseminar 44 1. CURSOR-HINT 2. 1. PROGRAMM-HILFE CURSOR-HINT (F1-Taste) 3. 2. FORUM PROGRAMM-HILFE (www.envisys.de/energieberatung) (F1-Taste) 4. 3. TECHNISCHE FORUM (www.envisys.de/energieberatung) UNTERSTÜTZUNG 4. TECHNISCHE UNTERSTÜTZUNG 5. TÄGLICHER SUPPORT A) email-support (support@envisys.de) B) Telefon-Support (9-12:00 und 14-16:00Uhr) Telefon-Nr. 03643-49527-20 03643-490808 6. PROJEKTCOACHING (nach Vereinbarung) 6. PROJEKTCOACHING (nach Vereinbarung)