Wärmeschutz im Winter
Mindestwärmeschutz
Zum Nachweis des Mindestwärmeschutzes wird der vorhandene Wärmedurchlasswiderstand des Bauteils
Bauhygienischer Mindestwärmeschutz
Der bauhygienische Mindestwärmeschutz ergibt sich aus den Anforderungen an das Raumklima. Für das Behaglichkeitsempfinden ist neben der Lufttemperatur die Temperatur der Wandoberflächen entscheidend. Eine warme Oberfläche (Ofen) wird als angenehm empfunden, eine kalte Oberfläche – in der Regel – als unangenehm kühl. Die durch kalte Oberflächen verursachte Empfindung ist vergleichbar mit der Wirkung eines kalten Luftzuges. Sie wird daher als Strahlungszug bezeichnet.
Beim Vergleich dieser Werte mit vorhandenen Wärmedurchlasswiderständen für Beispiele traditioneller Wandkonstruktionen am Umgebindehaus ist ersichtlich, dass diese die Anforderungen des bauhygienischen Mindestwärmeschutzes teilweise nicht erfüllen:
Tauwasserschutz/ Schutz vor Schimmelbildung in ungestörten Bauteilbereichen
Ist die innere Oberflächentemperatur θSi von Bauteilen der wärmeübertragenden Hüllfläche kleiner als die Taupunkttemperatur θTP (= Sättigungstemperatur) der Raumluft, erfolgt eine Kondensatbildung auf diesen Bauteiloberflächen.
Zur Vermeidung der Taupunktunterschreitung an inneren Bauteiloberflächen muss θSi >= θTP sein.
Bei kapillarporösen Baustoffen tritt im Baustoff auch bei 80% < φi < 100% je nach Kapillarendurchmesser bereits eine Kapillarkondensation auf, die Schimmelwachstum an der Bauteiloberfläche ermöglicht. Man kann annehmen [4], dass bei vierwöchiger Kapillarkondensation Schimmelbildung beginnt. Deshalb wird ausgehend vom Monatsmittelwert der Außenlufttemperatur des kältesten Monats von –1°C bei Annahme von –5°C einer Schimmelbildung durch bautechnischen Wärmeschutz bei einem Nutzerklima 20°C/50% mit Sicherheit vorgebeugt.
Bild 2.1.2-1 zeigt, dass für die o.g. Bedingungen die Nachweisrechnung mit θsi=12,5°C erfolgt.
In DIN 4108 - 2 [3] sind für frei gelüftete Räume folgende Randbedingungen für die Berechnung festgelegt:
- Wärmeübergangswiderstand innen: Rsi=0,25 (m2*K)/W (beheizte Räume)
Der hoch gewählte Wärmeübergangswiderstand auf der Innenseite berücksichtigt die behinderte Wärmezufuhr an Kanten oder hinter Vorhängen.
- Wärmeübergangswiderstand außen: Rse=0,04 (m2*K)/W
- minimal zulässige innere Oberflächentemperatur: θsi=12,5°C bei 20°C/50%
- Außenlufttemperatur: θe=-5°C
Grenzen Bauteile nicht an die Außenluft, ist mit folgenden Außenlufttemperaturen nach [17] zu rechnen:
Unbeheizter Dachraum: θe=-5°C
Keller: θe=10°C
Erdreich: θe=10°C
Unbeheizte Pufferzone: θe=10°C
Bei veränderten Raumluftzuständen müssen die Randbedingungen und damit der Mindestwert für den Wärmedurchlasswiderstand angepasst werden.
Für Außenwände wird unter den o. g. Randbedingungen an Hand von Gleichung (2) ein Mindestwärmedurchlasswiderstand von
ermittelt.
Beim Vergleich dieses Wertes mit vorhandenen Wärmedurchlasswiderständen für Beispiele traditioneller Wandkonstruktionen am Umgebindehaus (siehe Bild 2.1.1-1) ist ersichtlich, dass der Schutz vor Schimmelbildung teilweise nicht erfüllt ist.
Tauwasserschutz/ Schutz vor Schimmelbildung im Bereich von Wärmebrücken
Als Wärmebrücken werden örtlich begrenzte Stellen mit höherer Wärmestromdichte als angrenzende Bauteilbereiche bezeichnet. Ihr physikalisches Merkmal ist, dass die Wärmestromlinien nicht parallel zueinander verlaufen. Es wird unterschieden zwischen geometrisch und stofflich bedingten Wärmebrücken (Bild 2.1.3-1). In der Praxis treten meist gemischte Formen auf.
Wärmebrücken sind nicht vermeidbar, ihre Auswirkungen müssen jedoch minimiert werden. Im Vergleich zu ungestörten Bauteilbereichen ist die innere Oberflächentemperatur im Bereich von Wärmebrücken geringer, so dass die Gefahr der Schimmelbildung steigt.
Mit folgenden Untersuchungsmethoden kann die minimale innere Oberflächentemperatur im Wärmebrückenbereich ermittelt und mit dem zulässigen Wert verglichen werden:
- Weg des geringsten Widerstandes (Handrechenverfahren für Überschlagsrechnungen, ungenau)
- Wärmebrückenkataloge
- Finite-Elemente-Methode (genaues Verfahren, verlangt geeignete Software)
- Thermografieuntersuchungen (für bestehende Gebäude)
Da Wärmebrückenkataloge für Sanierungslösungen an Umgebindehäusern nicht existieren, wird die minimale innere Oberflächentemperatur mit einer geeigneten Software ermittelt und mit dem zulässigen Wert verglichen.
Zusätzlich wird bei der Untersuchung von Wärmebrücken lt. DIN 4108 – 2 [3] eine dimensionslose innere Oberflächentemperatur fRsi= (θsi-θe) / (θi-θe) ermittelt.
Die Randbedingungen werden analog Pkt. 2.1.2 angesetzt, so dass
fRsi=(12,5-(-5))/(20-(-5))>=0,70 sein muss.
Für den in Bild 2.1.3-2 dargestellten Deckenanschluss an die Außenwand ist
fRsi=(16,25-(-5))/(20-(-5))=0,85>=0,70
-> Schimmelbildung ist unter den angenommenen Randbedingungen ausgeschlossen.
Die Verwendung der dimensionslosen inneren Oberflächentemperatur erlaubt die Einschätzung der Wärmebrückenwirkungen an Hand von Thermografieaufnahmen der inneren Bauteiloberflächen. An Hand der gemessenen Raumluft- und Außenlufttemperaturen sowie der durch Thermografieaufnahmen ermittelten Oberflächentemperaturen wird die dimensionslose innere Oberflächentemperatur berechnet und mit dem minimal zulässigen Wert von fRsi=0,70 verglichen. Voraussetzung für diese Untersuchung sind quasistationäre Bedingungen, d.h. Raumlufttemperatur und Außenlufttemperatur sollen über einen Zeitraum von ein bis zwei Tagen nahezu konstant sein.
Mess-punkt | θsi/ °C | Mess-punkt | θi/ °C | fRsi |
P01 | 11,4 | P02 | 17,9 | 0,46 < 0,70 |
P03 | 13,6 | P04 | 17,7 | 0,65 < 0,70 |
P05 | 15,3 | P06 | 18,6 | 0,74 > 0,70 |
P07 | 16,2 | P08 | 19,4 | 0,76 > 0,70 |
P09 | 17,6 | P10 | 20,1 | 0,82 > 0,70 |
Außenlufttemperatur: 5,9°C | ||||
Die Suche von „Schwachstellen“ an vorhandenen Gebäuden ist ebenfalls an Hand von Thermografieaufnahmen möglich:
Werte für den Mindestwärmeschutz nach DIN 4108 – 2 [3]
Für häufig vorkommende Fälle können die in [3] angegebenen zulässigen Mindestwerte der Wärmedurchlasswiderstände Rmin genutzt werden (Tabelle 2.1.4-1). Die angeführten Werte gelten für mehrschichtige Massivbauteile mit einer flächenbezogenen Masse von mindestens 100 kg/m² und für Nutzungsarten mit geringer Feuchteemission und hohen bauhygienischen Ansprüchen (z.B. Wohnungen).
Für Außenwände, Decken unter nicht ausgebauten Dachräumen und Decken mit einer flächenbezogenen Gesamtmasse unter 100 kg/m2 (leichte Bauteile) ist Rmin=1,75 (m2*K)/W einzuhalten. Bei Rahmen- und Skelettbauarten gilt dieser Wert nur für den Gefachbereich. In diesem Fall ist für das gesamte Bauteil zusätzlich im Mittel Rmin=1,0 (m2*K)/W einzuhalten.
Für Gebäude mit niedrigen Innentemperaturen gelten ebenfalls die Werte nach Tabelle 2.1.4-1. Hiervon ausgenommen ist der Wärmedurchlasswiderstand von Bauteilen nach Tabelle 2.1.4-1, Zeile 1. Hier ist Rmin>=0,55 (m2*K)/W einzuhalten.
Tabelle 2.1.4-1: Mindestwerte des Wärmeschutzes [3]
Zeile | Bauteile | Rmin/ (m2*K)/W | ||||
1 | Außenwände, Wände von Aufenthaltsräumen gegen Bodenräume, Durchfahrten, offene Hausflure, Garagen, Erdreicha) | 1,2 | ||||
2 | Wände zwischen fremdgenutzten Räumen; Wohnungstrennwände | 0,07 | ||||
3 |
Treppenraum-wände | Zu Treppenräumen mit wesentlich niedrigeren Innentempe-raturen (z.B. indirekt beheizte Treppenräume); Innentemperatur , aber Treppenraum mindestens frostfrei |
0,25 | |||
4 | Zu Treppenräumen mit Innentemperaturen (z.B. Verwaltungsgebäuden, Geschäftshäusern, Unterrichts-gebäuden, Hotels, Gaststätten und Wohngebäuden) |
0,07 | ||||
5 | Wohnungstrenndecken, Decken zwischen fremden Arbeitsräumen; Decken unter Räumen zwischen gedämmten Dachschrägen und Abseitenwänden bei ausgebauten Dachräumen | allgemein | 0,35 | |||
6 | in zentralbeheizten Bürogebäuden | 0,17 | ||||
7 | unterer Abschluss nicht unterkellerter Aufenthaltsräume | unmittelbar an das Erdreich bis zu einer Raumtiefe von 5 m |
0,9 | |||
8 | über einen nicht belüfteten Hohlraum an das Erdreich grenzend | |||||
9 | Decken unter nicht ausgebauten Dachräumen; Decken unter bekriechbaren oder noch niedrigeren Räumen; Decken unter belüfteten Räumen zwischen Dachschrägen und Abseitenwänden bei ausgebauten Dachräumen, wärmegedämmte Dachschrägen | |||||
10 | Kellerdecken, Decken gegen abgeschlossene, unbeheizte Hausflure u.ä. | |||||
11 | 11.1 | Decken (auch Dächer), die Aufenthaltsräume gegen die Außenluft abgrenzen | nach unten, gegen Garagen (auch beheizte), Durchfahrten (auch verschließbare) und belüftete Kriechkeller b) |
1,75 | ||
11.2 | nach oben, z.B. Dächer nach DIN 18530, Dächer und Decken unter Terrassen; Umkehrdächer [3], 5.3.3c) |
1,2 | ||||
a) Der weit über dem Mindestwärmedurchlasswiderstand für ungestörte Bauteilbereiche liegende Wert soll die Schimmelfreiheit auch im Bereich der Wärmebrücken garantieren. b) Erhöhter Wärmedurchlasswiderstand wegen Fußkälte c) Für Umkehrdächer ist der berechnete Wärmedurchgangskoeffizient U nach mit den Korrekturwerten nach Tabelle 3 um U zu berechnen. | ||||||
Tabelle 2.1.4-2: Zuschlagswerte für Umkehrdächer [3]
Anteil des Wärmedurchlasswiderstandes raumseiteig der Abdichtung am Gesamtwärmedurchlasswiderstand in % | Zuschlagswert in ∆U in W/(m2*K) |
unter 10 | 0,05 |
von 10 bis 50 | 0,03 |
über 50 | 0 |
Mit dem hohen Mindestwärmedurchlasswiderstand von Rmin=1,2 (m2*K)/W (massive Außenwände mit einer flächenbezogenen Gesamtmasse von m>=100 kg/m2) sowie Rmin=1,75 (m2*K)/W (leichte Außenwände mit einer flächenbezogenen Gesamtmasse von m<100 kg/m2 ) soll sichergestellt werden, dass auch im Wärmebrückenbereich (z.B. Gebäudekante) keine Schimmelbildung auftritt.
In Umgebindehäusern sind diese Werte auf Grund ihrer besonderen, oft denkmalgeschützten Konstruktion nicht immer realisierbar. Es wird deshalb empfohlen, die Prüfung für die ungestörten Bauteilbereiche nach 2.1.1 und 2.1.2 sowie für die Wärmebrückenbereiche nach 2.1.3 gesondert vorzunehmen.
Energieökologisch motivierter Wärmeschutz
Ziel des energieökologisch motivierten Wärmeschutzes ist die Reduzierung des Primärenergiebedarfs der Gebäude. Für Wohngebäude, die häufigste Nutzungsart von Umgebindehäusern, gilt die Energieeinsparverordnung (EnEV) [8] sowie DIN 4701 Teil 10 bzw. 12 [10]. Während die ehemalige Ausgabe der ENEV vorwiegend auf Neubauten zielte, rückt die ab 01. Oktober 2007 gültige Energieeinsparverordnung in Umsetzung der europäischen Gebäuderichtlinie auch den Gebäudebestand stärker ins Blickfeld. Gefordert wird u.a. die Einführung eines Energieausweises (s. §16 ff. [8]), der mindestens beim Verkauf auch von Umgebindehäusern vorzulegen ist.
Nach [8] ist ein energetischer Nachweis für ein zu sanierendes Gebäude über das Bilanzverfahren oder das Bauteilverfahren zu führen.
Beim Bilanzverfahren wird der vorhandene Primärenergiebedarf QP mit dem maximal zulässigen Wert QP max sowie die vorhandenen spezifischen Transmissionswärmeverluste H'T mit einem zulässigen Wert H'T max verglichen. An Altbauten werden weniger strenge Forderungen als an Neubauten gestellt, so dass die in der EnEV [8] angegebenen Maximalwerte um 40% überschritten werden dürfen. Es muss gelten:
QP < 1,40 * QP max. und H'T < 1,40 * H'T max
Umgebindehäuser können nach der Sanierung durchaus die Anforderungen des Bilanzverfahrens der Energieeinsparverordnung erfüllen, wenn die behutsame und dem Gebäude zuträgliche Sanierung der Gebäudehülle mit einer Anlagentechnik mit niedriger Aufwandszahl (z. Bsp. zur Nutzung regenerativer Energien) kombiniert wird.
Qp = (Qh + Qw) * ep
Jahresheizwärmebedarf Energie zur Aufwandszahl:
= Warmwasser- - Umwandlungsverluste im Gebäude
Verluste durch Transmission bearbeitung - Verluste durch vorgelagerte
+ Prozessketten außerhalb des
Verluste durch Lüftung Gebäudes bei der Gewinnung,
- Umwandlung und Verteilung
Gewinne durch Sonneneinstrahlung der Brennstoffe
-
Gewinne durch inneres Wärmeaufkommen
Bild 2.2.-1: Einflussgrößen auf den Jahresprimärenergiebedarf eines Gebäudes
Eine zweite Nachweismöglichkeit für bestehende Gebäude ist das Bauteilverfahren (maximal zulässige Wärmedurchgangskoeffizienten in Tabelle 2.2-1) in Kombination mit Auflagen zu den Anlagen der Technischen Gebäudeausrüstung.
Tabelle 2.2-1: Höchstwerte der Wärmedurchgangskoeffizienten bei erstmaligem Einbau, Ersatz und Erneuerung von Bauteilen [8]
Zeile | Bauteil | maximaler Wärmedurchgangskoeffizient Umax1) in W/(m²K) | |
bestehende Gebäu-de mit normalen Innentemperaturen1) | bestehende Gebäu-de mit niedrigen Innentemperaturen | ||
1 | Außenwände allgemein | 0,45 | 0,75 |
| Außenwände mit Dämmung oder hinterlüftet | 0,35 | 0,75 |
2 | - außenliegende Fenster u. Fenstertüren, Dachfenster - Ersatzverglasung bei bestehendem Rahmen - Vorhangfassaden | 1,72)
1,53) 1,94) | 2,82)
keine Anforderung 3,04) |
3 | - außenliegende Fenster, Fenstertüren, Dach-flächenfenster mit Sonderverglasungen - Sonderverglasungen als Glasersatz - Vorhangfassaden mit Sonderverglasungen | 2,02)
1,63) 2,34) | 2,82)
keine Anforderung 3,04) |
4 | Decken unter nicht ausgebauten Dachräumen und Decken (einschließlich Dachschrägen), die Räume nach oben und unten gegen die Außenluft abgrenzen: - geneigte Dächer - Flachdächer |
0,30 0,25 |
0,40 0,40 |
4 | Kellerdecken, Wände und Decken gegen ungeheizte Räume sowie Decken und Wände, die an das Erdreich grenzen: - Bekleidung oder Dämmung außen - Bekleidung oder Dämmung innen |
0,40 0,50 |
keine Anforderung keine Anforderung |
1) Wärmedurchgangskoeffizient des Bauteils unter Berücksichtigung neuer und vorhandener Bauteilschichten; zur Berechnung opaker Bauteile ist DIN EN ISO 6946:1996-11 zu verwenden 2) Wärmedurchgangskoeffizient des Fensters; er ist technischen Produkt-Spezifikationen zu entnehmen oder nach DIN EN ISO 10077-1:2000-11 zu ermitteln 3) Wärmedurchgangskoeffizient der Verglasung; er ist technischen Produkt-Spezifikationen zu entnehmen oder nach DIN EN 673:1999-1 zu ermitteln 4) Wärmedurchgangskoeffizient der Vorhangfassade; nach anerkannten Regeln der Technik zu ermitteln | |||
Der maximale Wärmedurchgangskoeffizient für eine Außenwand soll je nach Ausführung nach der Sanierung Umax=0,35...0,45 W/(m2*K) betragen.
Die Anforderungen (Bauteilverfahren) der EnEV [8] werden von den historischen Wandkonstruktionen nicht erfüllt. Wird eine Sanierung geplant, ist die Einhaltung dieser Forderungen für die sanierten Bauteilbereiche zu überprüfen.
Es muss jedoch unbedingt vermieden werden, die sensiblen Konstruktionen des Umgebindehauses (z.B. Fachwerk, Holzbauteile) zu schädigen.
Durch Berechnung der Wärme- und Feuchteverteilung in der Konstruktion muss eingeschätzt werden, ob eine Ausnahmegenehmigung nach EnEV beantragt werden muss:
EnEV [8] §24:
„…Soweit bei Baudenkmälern oder sonstiger besonders erhaltenswerter Bausubstanz die Erfüllung der Anforderungen dieser Verordnung die Substanz oder das Erscheinungsbild beeinträchtigen und andere Maßnahmen zu einem unverhältnismäßig hohen Aufwand führen würden, lassen die nach Landesrecht zuständigen Behörden auf Antrag Ausnahmen zu….“