Probleme mit Wärmebrücken? - Nicht mit uns! Mit dem Planungsatlas Hochbau Wärmebrücken minimieren und energetisch nachhaltig bauen Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang M. Willems und Dipl.-Ing. Georg Hellinger (TU Dortmund, Lehrstuhl für Bauphysik und Technische Gebäudeausrüstung ) Nach dem architektonischen Entwurf und den Fragen der Ästhetik des Gebäudes stehen heute besonders die Aspekte Nachhaltigkeit und Energetische Optimierung im Fokus der Architekten und Fachplaner und entwickeln sich somit immer mehr zu zentralen Planungskriterien. Eine der damit immanent verbundenen Aufgaben ist die Schaffung einer Gebäudehülle, die die physikalisch unvermeidlichen Transmissionswärmeverluste auf ein vertretbares Minimum reduziert. Das bedeutet jedoch nicht, Dämmschichtdicken unreflektiert hochzurüsten, sondern erfordert neben einer zielführenden Auslegung der Regelbauteile (wie Wand, Dach und Bodenplatte) die besondere Auseinandersetzung mit den Konstruktionsanschlüssen im Bereich geometrischer oder materialbedingter thermischer Schwachstellen zum Beispiel an Rollladenkästen, Fensterlaibungen, im Sockelbereich oder Balkonanschlüssen, vgl. beispielhafte Darstellung in Abbildung 1. Für eine qualitativ hochwertige Ausführung der Hüllfläche hochwärmegedämmter Gebäude stellt die detaillierte Planung der Anschlussbereiche damit heute eine der zentralen Forderungen dar. Abbildung 1: Beispiel "Sockelanschluss": Konstruktion und Temperaturverlauf Vor diesem Hintergrund erarbeiten der Lehrstuhl für Bauphysik und Technische Gebäudeausrüstung der TU Dortmund in Zusammenarbeit mit der deutschen Zement- und Betonindustrie seit mehreren Jahren den Planungsatlas für den Hochbau. Diese heute schon sehr umfangreiche Datenbank ermöglicht es Fachplanern und Architekten, für beliebige bauliche Maßnahmen die zu erwartenden Wärmeverluste über Konstruktionsanschlüsse während der Planungsphase genau zu ermitteln und die entsprechenden baukonstruktiven Details thermisch zu optimieren. Damit lassen sich in der Regel gegenüber den pauschalen Aufschlägen (nach EnEV) energetisch und ökonomisch deutlich bessere Werte erzielen womit Gebäude auch im Hinblick auf die für 2012 angekündigten weiteren Verschärfungen der
energetischen Anforderungen zukunftssicher geplant werden können. Die Beherrschung von Wärmebrücken bei den bauphysikalischen Nachweisen öffnet schon in der Planungsphase den Weg zum kostengünstigen Bauen. Auswirkungen von Wärmebrücken Die genaue Betrachtung von Wärmebrücken ist aus zweierlei Gründen von Bedeutung: Minimale raumseitige Oberflächentemperaturen θ si,min : Für die konstruktive Dimensionierung hinsichtlich des Wärmeschutzes eines Bauteils ist die Vermeidung von Schimmelpilzbildung entscheidend. Von einer Schimmelpilzfreiheit kann beispielsweise im Wohnungsbau bei Gewährleistung von Innenoberflächentemperaturen von mindestens θ si,min = 12,6 C ausgegangen werden. Da sich im Bereich von Wärmebrücken in der Regel die niedrigsten raumseitigen Oberflächentemperaturen einstellen, ist an diesen Stellen die Gefahr der Schimmelpilzbildung am höchsten und damit durch den Architekten oder Fachplaner nachzuweisen. Zusätzliche Wärmeverluste Q: An den Verbindungsstellen der Regelbauteile stellen sich zusätzliche Wärmeverluste ein. Vergleichbar dem U-Wert bei Regelbauteilen benutzt man als Maß für diesen zusätzlichen Verlust den Begriff des längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten ψ in W/(m K). Dieser Wert muss entweder mittels zeitintensiver computergestützter FEM-Berechnungen für jede Wärmebrücke einzeln berechnet oder sogenannten Wärmebrückenatlanten entnommen werden (sofern keine Pauschalaufschläge, vgl. nachfolgende Ausführungen, benutzt werden sollen, deren Verwendung sich bei hochwärmegedämmten Konstruktionen jedoch eigentlich aus wirtschaftlichen wie physikalischen Gründen a priori verbietet). Abbildung 2: Temperaturverläufe und Wärmeströme im Bereich einer Wärmebrücke
Berücksichtigung von Wärmebrücken in der EnEV 2009 Innerhalb des Nachweises des Wärmeschutzes nach der aktuell gültigen Energieeinsparverordnung (EnEV 2009) ist die Wärmebrückenwirkung im Bereich von Bauteilanschlüssen bei der Berechnung des Transmissionswärmeverlustes H T zu berücksichtigen. Dies kann auf zwei verschiedenen Wegen erfolgen: Mittels pauschaler Erhöhung der Wärmedurchgangskoeffizienten aller Bauteile der Gebäudehülle um einen pauschalen Zuschlag ΔU WB. Dieser Zuschlag kann 0,05, 0,10 oder 0,15 W/(m² K) betragen, ist aber im Hinblick auf eine ökonomisch verantwortliche Bauplanung nicht zielführend. Der genaue rechnerische Nachweis der Wärmebrücken mit spezifischen ψ- Werten. Bei sorgfältiger Planung lassen sich auf diesem Wege die Transmissionswärmeverluste des Gebäudes erheblich reduzieren, da die anteiligen Wärmeverluste im Bereich der Wärmebrückenbereiche weitgehend vermieden werden. Große Bandbreite an Anschlussdetails Der im Internet online unter www.planungsatlas-hochbau.de oder alternativ auch auf DVD verfügbare Planungsatlas Hochbau deckt eine große energetische Bandbreite der gängigen Konstruktionsarten des Massivbaus ab. Für die Planung von Neubauten und oder auch für Maßnahmen im Bestand reicht diese vom Stand vergangener Regelwerke über den aktuellen Status Quo bis hin zu passivhaustauglichen Konstruktionen. Dargestellt werden alle relevanten Konstruktionsdetails sowohl einschaliger Außenwände mit WDVS aus Leicht- und Normalbeton, zweischaliger Außenwände mit Kerndämmung, monolithischer Konstruktionen und Stahlbeton-Sandwichsystemen, Kellerwände aus wasserundurchlässigem Beton oder mit bituminöser Abdichtung sowie geneigte oder flache Dächer als Massiv- oder Holzdach etc. Die für Ortbetonbauteile zur Verfügung stehenden Detaillösungen können auf Konstruktionen in Fertigteil- und Halbfertigteilbauweise sowie auf Bauweisen aus klein- und großformatigen Betonsteinen angewendet werden. Bei gleichartiger konstruktiver Ausführung lassen sich diese zudem auf verschiedene Mauerwerkskonstruktionen übertragen. Insgesamt stellt der Planungsatlas dem Anwender heute 617 Konstruktionsanschlüsse mit rund 6.000.000 energetischen Variationen für den Wohn- und Nichtwohnungsbau zur Verfügung Tendenz kontinuierlich steigend. Für einen Wärmeschutznachweis oder eine Energieberatung werden die ψ-werte und minimalen Oberflächentemperaturen (Randbedingungen entsprechend DIN 4108 Beiblatt 2) bereitgestellt. Zu jedem Konstruktionsdetail sind desweiteren die Konstruktionszeichnungen als CAD- und PDF-Datei, die Ausschreibungstexte sowie Temperaturbilder enthalten.
Abbildung 3: Beispiel einer Konstruktionsdarstellung Abbildung 4: Beispiel eines Ausschreibungstextes (Auszug) Schnelle Recherche mittels optimierter Benutzeroberfläche Eine intuitiv zu bedienende 3D-Navigation und eine optimierte Such- und Blätterfunktion durch die einzelnen Details ermöglichen dem Nutzer eine schnelle Orientierung. Neben einer klassischen Baumstruktur, welche eine Suche anhand der Konstruktionsmerkmale (Konstruktionsart, Untergruppe, Variante ) ermöglicht, erleichtert eine Freitextsuche (Beispiel Fenster oder Balkon ) das Auffinden des benötigten Anschlusses. Alle im Planungsatlas berücksichtigten Details wurden unter funktionalen, gestalterischen, baukonstruktiven und bauphysikalischen Aspekten entwickelt, wobei speziell auf die wärmeschutztechnische Optimierung Wert gelegt wurde.
Abbildung 5: Interaktive Benutzeroberfläche des Planungsatlas für den Hochbau für eine schnelle Recherche innerhalb der über 720 Konstruktionsanschlüssen Die einfache Berechnung von Wärmebrücken ein Praxisbeispiel Anhand des Beispiels eines Einfamilienhauses mit Büroräumen, das gemäß KfW- Effizienzhaus 55 (der Jahres-Primärenergiebedarf ist auf maximal 40 kwh/m² begrenzt) ausgelegt ist, sollen die Berechnungsmöglichkeiten mit dem Planungsatlas Hochbau an dieser Stelle veranschaulicht werden. Konstruktion: Dach: Massivdach Wand: Leichtbeton mit WDVS Bodenplatte: Beton, perimetergedämmt Hüllfläche: ~ 570 m² Volumen: ~ 860 m³ Eine im Zuge eines Wärmeschutznachweises geführte Berücksichtigung der Wärmebrückenverluste mittels des "detaillierten Verfahrens" ist Tabelle 1 zu entnehmen. Tabelle 1: Aufstellung der nach dem "detaillierten Verfahren" aufgestellten Wärmeverluste aus Wärmebrücken Wärmebrückenanschluss ψ ψ W/(mK) m W/K Ortgang - Massivdach - Giebelwand über Dach 0,111 11,60 1,29 Firste - Massivdach -0,060 11,38-0,68 Außenwand im Erdreich -0,045 12,20-0,55
Einbindende Innenwand in Kelleraußenwand 0,001 12,20 0,01 KG-Fundament mit Flachgründung, perimetergedämmt -0,002 41,00-0,08 Innenwand auf perimetergedämmter Bodenplatte 0,067 15,22 1,02 Traufe - Massivdach -0,039 19,52-0,76 Außenwand -0,076 16,04-1,22 Einbindende Innenwand in Außenwand 0,000 80,20 0,00 Einbindende Decke in Außenwand 0,002 34,12 0,07 Fenster-Sturz ohne Rollladenkasten (ÜD = 3 cm) 0,033 2,40 0,08 Fenster-Sturz mit Rollladenkasten 0,185 24,01 4,44 Einbindende Decke im Sockelbereich 0,002 20,38 0,04 Einbindende Decke in Außenwand, Fenster- /Türanschluss Einbindende Decke in Kelleraußenwand, im Sockelbereich (EG), Decke zu beheiztem Keller, Türanschluss -0,057 7,20-0,41-0,057 20,95-1,19 Fenster-Brüstung (ÜD = 3 cm) 0,034 9,00 0,31 Fenster-Tür-Laibung (ÜD = 3 cm) 0,032 85,72 2,74 = 5,10 Resultierender Wärmebrückenzuschlag: ΔU WB = 5,10/570 = 0,009 W/(m²K) Abbildung 6 zeigt die schnelle Ermittlung dieser Werte für den in Tabelle 1 aufgeführten Anschluss KG-Fundament mit Flachgründung, perimetergedämmt " auf.
Abbildung 6: Darstellung der für eine Energieberatung oder einen Wärmeschutznachweis relevanten detaillierten Daten eines Konstruktionsanschlusses Zusammenfassung Anhand der optimierten Benutzeroberfläche und der detaillierten Darstellung der Konstruktionen in Verbindung mit den umfangreichen Ergebnissen der thermischen Berechnungen kann der Anwender mit dem Planungsatlas in kürzester Zeit einen detaillierten energetischen Nachweis im Sinne der EnEV führen, eine Minimierung der Wärmeverluste bis hin zur Wärmebrückenfreiheit durch bauphysikalisch optimierte Detailanschlüsse bereits während der Planungsphase initiieren, die Vermeidung von Schimmelpilzbildung und Tauwasserausfall sicherstellen, die Gleichwertigkeit zu einem Detail aus DIN 4108 Beiblatt 2 überprüfen, mittels der hinterlegten Konstruktionsdateien Zeichnungen und Pläne sowie Ausschreibungstexte erstellen oder ergänzen oder aber eine Energieberatung durchführen. Infokästchen Pünktlich zur DEUBAU im Januar 2012 wird der digitale Planungsatlas für den Hochbau in einer nochmals erweiterten Version mit zahlreichen neuen Funktionen erschienen. Das Werk ist auf DVD für eine Schutzgebühr von 20 Euro bei
BetonMarketing Deutschland unter bmd@betonmarketing.de erhältlich sowie online unter www.planungsatlas-hochbau.de verfügbar.