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KALKSANDSTEIN – Wärmeschutz * * Dr.-Ing. Martin H. Spitzner, Dipl.-Ing. Christoph Sprengard, Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München, FIW München Stand: Januar 2009 1. ÜBERBLICK Der Wärmeschutz von Gebäuden verdient aufgrund des Komfortbedürfnisses der Bewohner und aufgrund des Bestrebens, den Energieverbrauch im Allgemeinen und die CO 2 - und sonstigen Schadstoffemissionen im Besonderen zu vermindern, eine besondere Beachtung. Die Haushalte tragen etwa mit einem Drittel zum Gesamtenergieverbrauch der Bundesrepublik bei (Bild 1). Er ist damit ein wichtiger Sektor hinsichtlich Energieeinsparung und Emissionsverminderung. Dabei gilt es, gleichzeitig mit der Verbesserung des Wärmeschutzes und der Energieeffizienz auch die Behaglichkeit und den Nutzwert für die Bewohner zu steigern. Außerdem ist sicherzustellen, dass die Gebäude auch in Zukunft energie- und kostensparend sowie umweltschonend genutzt werden können. Eine Anzahl von Normen, die teilweise bauaufsichtlich eingeführt sind, sowie die Energieeinsparverordnung stellen ein einzuhaltendes Mindestniveau des baulichen Wärmeschutzes und der Energieeinsparung in Gebäuden sicher. Empfehlenswert ist es aber, deutlich über diese Mindestanforderungen hinauszugehen, um „zukunftstaugliche“ Gebäude auf hohem Umweltschutzniveau zu realisieren. Die energiesparrechtlichen Mindestanforderungen an den Wärmeschutz und die Energieeinsparung in Gebäuden, die in der Energieeinsparverordnung verankert sind, beziehen sich auf das Gebäude als Ganzes (Gebäudehülle + Anlagentechnik). Nur bei der Sanierung einzelner Bauteile werden noch bauteilbezogene Anforderungen gestellt. Die Mindestanforderungen der Energieeinsparverordnung werden von Hauser/ Maas dargestellt [2]. Gewerbe, Handel, Dienstleistungen (GHD) 14 % Haushalte 29 % Industrie 28 % Verkehr 29 % Bild 1: Struktur des Energieverbrauchs in Deutschland, 2006 [1] Demgegenüber sind die baurechtlichen Mindestanforderungen an den baulichen Wärmeschutz bauteilbezogen und vor allem hygienisch begründet. Hier geht es in erster Linie um die Vermeidung von Tauwasser und Schimmelpilzwachstum. Der geforderte bauliche Mindestwärmeschutz wird, zumindest bei den flächigen Außenbauteilen, meist deutlich übertroffen, weil die Bauteile sonst nicht den heutigen Ansprüchen an die Energieeinsparung, dem modernen Komfortbedürfnis und der aktuell üblichen Bauqualität genügen würden. 2. NORMENWERK ZUM BAULICHEN WÄRMESCHUTZ Die wichtigste deutsche Normenreihe zum baulichen Wärme- und Feuchteschutz ist die Normenreihe DIN 4108 „Wärmeschutz und Energieeinsparung in Gebäuden“. Für den energetischen Nachweis von Wohngebäuden stehen von dieser Normenreihe der Teil 6 für die Bewertung der Gebäudehülle und von der Normenreihe DIN 4701 „Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen“ der Teil 10 und dessen Beiblatt für die Bewertung der Anlagentechnik zur Verfügung. Die energetische Bewertung von Nichtwohngebäuden erfolgt nach der noch recht jungen Normenreihe DIN V 18599, die eigens dafür geschaffen wurde. Ihr Anwendungsbereich soll auch auf Wohngebäude ausgedehnt werden. Grundlegende Berechnungsverfahren sowie etliche wärme- und feuchteschutztechnische Kennwerte sind inzwischen überwiegend in europäischen oder internationalen Normen verankert, die als deutsche Normen vom DIN übernommen sind. Tafel A1 im Anhang gibt einen Überblick über die wichtigsten Normen rund um den baulichen Wärmeschutz und den klimabedingten Feuchteschutz. Die frühere inhaltliche und begriffliche Konzentration im Normenwerk auf den Wärmeverlust im Winter wird zunehmend ersetzt durch den allgemeinen Bezug auf Wärmetransport oder Wärmetransfer, um die Normen auch auf den sommerlichen Wärmeeintrag ausdehnen zu können. Damit können Formulierungen, Formelzeichen und viele Gleichungen sowohl für winterliche Wärmeausträge als auch für sommerliche Wärmeeinträge stehen. In der Normenreihe DIN V 18599 werden (erwünschte und unerwünschte) Wärmeeinträge in den Raum als Wärmequellen, (erwünschte und unerwünschte) Wärmeausträge aus dem Raum als Wärmesenken bezeichnet, um eine wertungsfreie, durchgehend logische Begrifflichkeit zu gewährleisten. Erwünschte Wärmequellen sind z.B. im Winter Heizung, Sonnenschein durch Fenster, innere Abwärme. Unerwünschte Wärmequellen können z.B. sein: Wärmeverlust von Warmwasser- und Heizungsleitungen, im Sommer Sonnenschein durch Fenster, innere Abwärme, Wärmeeintrag durch Bauteile und Lüftung, wenn es außen wärmer ist als im Raum. Erwünschte Wärmesenken sind z.B.: im Sommer Wärmeabfuhr durch Kühldecke und Klimaanlage, Wärmeaustrag durch Bauteile und Lüftung, wenn es im Raum wärmer ist als außen. Unerwünschte Wärmesenken sind z.B.: im Winter Wärmeverlust durch Bauteile und Lüftung, Aufwärmen von Kaltwasserleitungen. Bild 2: Kompakte Gebäudeformen sind energetisch vorteilhaft. Die wichtigsten Normen und physikalischen Größen rund um bauliche Wärmedämmung und klimabedingten Feuchteschutz in Gebäuden mit ihren Formelzeichen und Einheiten sind in den Tafeln A1 und A2 im Anhang zusammengestellt. 197
KALKSANDSTEIN – Wärmeschutz V 01/2009 3. VON DER WÄRMELEITFÄHIGKEIT ZUM U-WERT Im Folgenden werden die relevanten Größen rund um die Wärmedämmung von Bauteilen beschrieben. Ein Beispiel erläutert die Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert), die international in ISO 6946 normiert ist. Die Energieeinsparverordnung nimmt die deutsche Ausgabe DIN EN ISO 6946 dieser Norm als Berechnungsvorschrift in Bezug. Somit sind U-Werte generell hiernach zu ermitteln, sofern nicht genauere Berechnungsverfahren, z.B. DIN EN ISO 10211 für 2- und 3-dimensionale Wärmebrückenberechnungen, DIN EN ISO 10077-1 und -2 für Fensterberechnungen, oder DIN EN ISO 13974 für Vorhangfassaden verwendet werden. Abweichungen von den Rechenvorschriften der Norm stellen einen Planungsfehler dar. Betrachtet werden generell nur die Bauteile der thermischen Gebäudehülle. Zur thermischen Gebäudehülle gehören all jene Innen- und Außenbauteile, die das beheizte Gebäudevolumen gegen die Außenluft oder gegen unbeheizte Dachböden und Keller, Garagen, unbeheizte Anbauten etc. abgrenzen. Die thermische Gebäudehülle umgibt das beheizte Gebäudevolumen lückenlos (Ausnahme: Haustrennwände und -decken zwischen gleichartig beheizten Bereichen werden nicht berücksichtigt). Alle beheizbaren Räume, auch wenn sie nur gelegentlich beheizt werden, wie Gästezimmer, Hobbyraum etc., zählen zum beheizten Bereich. Indirekt über Raumverbund beheizte Räume wie z.B. der innen liegende Treppenabgang in den unbeheizten Keller zählen ebenfalls zum beheizten Bereich. Ein zum Wohnbereich abgeschlossenes Treppenhaus ohne Heizkörper kann wahlweise als indirekt beheizt (über die Wohnungstüren; innen Feststoff außen dann gehört es zum beheizten Bereich) oder als tatsächlich unbeheizt (dann liegt es außerhalb der thermischen Hülle) eingestuft werden. Die Überlegungen zur thermischen Gebäudehülle gelten in gleicher Weise für die Hüllfläche, die im Sommer einen gekühlten Bereich gegen Außenluft bzw. gegen angrenzende, nicht gekühlte Bereiche abgrenzt. 3.1 Wärmestrom, Widerstand, U-Wert Der stationäre Wärmedurchgang (Transmission) durch ein einschichtiges Bauteil besteht aus drei Phasen: ● Wärmeübergang von der Raumluft mittels Luftströmung (Konvektion) und Wärmeleitung von den Raumoberflächen mittels Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung) auf die raumseitige Wandoberfläche; ● Wärmetransport durch die Baustoffschicht selbst (mittels Wärmeleitung), und ● Wärmeübergang (Wärmeabgabe) von der Außenoberfläche an die Außenluft mittels Konvektion und Wärmeleitung und an jene Oberflächen, die die Außenseite der Wand „sieht“, mittels Wärmestrahlung. In allen Phasen wird der Wärme, also der Energie, ein gewisser Widerstand entgegengesetzt, den sie überwinden muss: den Wärmeübergangswiderstand auf der Innenseite (R si ), den Wärmedurchlasswiderstand der Baustoffschicht (R i ), den Wärmeübergangswiderstand auf der Außenseite (R se ). Es handelt sich um eine Reihenschaltung von Widerständen. Wie beim elektrischen Strom ist der Gesamtwiderstand die Summe der Einzelwiderstände (in der Wärmelehre bezeichnet als Wärmedurchgangswiderstand, mit dem Formelzeichen R T ). Wärme Bauteile bestehen häufig aus mehreren Schichten (i = 1, 2, 3… n), deren individuelle Wärmedurchlasswiderstände R i alle in Reihe geschaltet sind; ihre Summe nennt man den Wärmedurchlasswiderstand R des Bauteils (von Oberfläche zu Oberfläche). Sind die Schichten in sich jeweils homogen (d.h., innerhalb einer Schicht ändern sich die thermischen Eigenschaften nicht), dann errechnet sich der Wärmedurchlasswiderstand jeder Baustoffschicht als Quotient ihrer Schichtdicke (in Metern) und der Wärmeleitfähigkeit des Materials (in W/(m·K)), aus dem sie besteht: R i = d i l i R = i d i l i für die i-te Schicht und für die Summe aller Schichten von Oberfläche zu Oberfläche. R ist flächenspezifisch, mit der Einheit m²·K/W. Die Wärmeübergangswiderstände R si und R se sind in Normen tabelliert. Der gesamte Wärmedurchgangswiderstand R T eines Bauteils ergibt sich damit zu: R T = R si + i R i + R se = R si + i d i l i + R se [m²·K/W] Je größer der Wärmedurchlasswiderstand bzw. der Wärmedurchgangswiderstand sind, desto größer ist die Dämmwirkung der Baustoffschicht bzw. des Bauteils. Die Vorgänge beim Wärmetransport lassen sich gut mit der Analogie zum elektrischen Strom verdeutlichen. Dabei entspricht der elektrische Strom dem Wärmestrom, der elektrische Widerstand dem Wärmedurchlasswiderstand einer einzelnen Baustoffschicht, oder dem Wärmedurchgangswiderstand des ganzen Bauteils als Reihenschaltung von Widerständen. Die elektrische Spannung entspricht der Temperaturdifferenz zwischen der warmen und der kalten Seite. Sie stellt das treibende Potenzial dar, aufgrund dessen es überhaupt zum Wärmetransport kommt: Herrscht auf beiden Seiten des Bauteils die gleiche Temperatur, findet kein Wärmetransport statt. Üblich ist im Bauwesen die Verwendung des Wärmedurchgangskoeffizienten U (U- Wert) des Bauteils, welcher der Kehrwert des Wärmedurchgangswiderstands ist (Tafel 1). Bild 3: Wärmedurchgang durch ein Bauteil U = 1 R T = R si + i 1 d i l i + R se W (m²·K) 198
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Seite 5 und 6: KALKSANDSTEIN - Wärmeschutz V 01/2

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