4_Fenster - ZIES - Hochschule Düsseldorf

Lehrveranstaltung
Energieberatung und
Gebäude-Energieausweise
Prof. Dr.-Ing. Mario Adam
Dipl.-Ing. Klaus Backes
E² - Erneuerbare Energien und Energieeffizienz
Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Hochschule Düsseldorf
Thema: Fenster
Energiebilanz, Solare Wärmegewinne, Fensterarten, Überhitzung im Sommer
adam
Fenster 1
Fenster
Wärmeverluste und Wärmegewinne
Transmissionswärmeverlust
Solare Wärmegewinne
durch Glas und Rahmen
• in der Heizperiode auftreffende Solarstrahlung
QT= U-Wert x Fläche x ∆T
• Nord: ca. 100 kWh/m2a
Ost/West: ca. 155 kWh/m2a
Süd: ca. 270 kWh/m2a
mit
• U-Wert = Wärmedurchgangskoeffizient
• 20 bis 40 % davon gelangen
ins Gebäude, abhängig von:
• ∆T = Temperaturdifferenz
zwischen Raumluft und
Außenluft
 Gesamtenergiedurchlassgrad g der Verglasung
(40 bis 90 %)
 Verschmutzung
 Verschattung
 Rahmenanteile
 Reflexionen durch schrägen
Strahlungseinfall
Lüftungswärmeverlust
durch Fugen und Abdichtungen
unter anderem an Fenstern
adam
Fenster 2
Transmissionswärmeverlust QT
Wärmestrom
 = (Θ
Q
T
Innen − Θ Außen ) ⋅ U ⋅ A
Jahres - Wärmemenge : Q T =
(nach EnEV
1))
∫ Q
T ⋅ dt
Heizperiode
= FGt ⋅
∑
(Fxi ⋅ Ui ⋅ A i + A i ⋅ ∆UWB ) in kWh/a




H
T
FGt 2):
= 66 kKh/a = Gradtagszahlfaktor für mittleren Standort in BRD (Potsdam)
Fx:
Temperatur-Korrekturfaktor bei verändertem ΘAußen ≠ ΘAußenluft
- Fx (Außenwand, Fenster, Dach) = 1,0
- …
Ui :
U-Wert bzw. Wärmedurchgangskoeffizient des Bauteils in W/(m2K)
(früher k-Wert, Umbenennung wegen EU-Harmonisierung)
Ai :
Fläche des Bauteils [m2]
∆UWB:
Wärmebrückenzuschlag in W/(m²K)
= 0,10 ohne gesonderten Nachweis
= 0,05 für wärmebrückenminimierte Regelkonstruktionen nach DIN 4108 Beiblatt 2 1)
= xy
bei Detail-Nachweisen gemäß DIN 4108-6
HT:
spezifischer Transmissionswärmeverlust in W/K
1) gemäß vereinfachtem Heizperioden-Verfahren
2) abhängig von (HT+HV)/AN; hier für (HT+HV)/AN < 2
adam
Fenster 3
Witterungseinfluss auf Heizenergieverbrauch
Kennzahlen zur Quantifizierung des Außentemperatur-Einflusses, Einheit: Kh/a, Kd/a
Beispiel: herrscht in der Heizperiode 2 h lang eine Differenz zwischen Raum- und Außenlufttemperatur von 10 K ergibt dies einen Beitrag zur Gradtagszahl von 10 K x 2 h = 20 Kh
Gradtagszahl
• in EnEV, im vereinfachten HeizperiodenVerfahren für Neubauten: 66.000 Kh/a
=(19-3,3)K x 185 Tage x 24h/Tag x 0,95
Heizgrenze
(aus 10°C Heizgrenze: 185 Heiztage.
3,3°C mittlere Außenlufttemperatur in der
Heizperiode, 19°C Raumlufttemperatur
wegen räumlicher Teilbeheizung des
Gebäudes, Nachtabsenkung Faktor 0,95)
Gt,20,15
jetzige EnEV: gleiches Prinzip, aber
Monatsbilanzverfahren
• aktuelle Werte und langjährige Mittelwerte
für einzelne Jahre, Monate z.B. bei
www.iwu.de
(Angabe von gewünschter Postleitzahl,
Raumluft- und Heizgrenztemperatur)
adam
Witterungskorrektur 4
Solare Wärmegewinne QS
Solare Wärmegewinne (Fenster) 1):
QS = Σi,j IS,i . gj . 0,567 . AF,ij [kWh/a]
IS,i 2):
solare Einstrahlung an Heiztagen für verschiedene Orientierungen i
ISüd
= 270 kWh/(m2a)
IOst/West = 155 kWh/(m2a)
in Heizperiode, auf senkrechte Wand
2
INord
= 100 kWh/(m a)
Dachflächenfenster (< 30°) = 225 kWh/(m2a)
gj :
g-Wert; Gesamtenergiedurchlassgrad des Fensters für senkrechte Einstrahlung [-]
0,567: Reduktionsfaktor; pauschale Berücksichtigung von Minderung durch Rahmen,
Verschattung, Verschmutzung, Reflexion bei nicht senkrechtem Strahlungseinfall [-]
AF,ij:
Fensterfläche inkl. Rahmen [m²]
Ausnutzungsgrad der Wärmegewinne 1,2):
0,95
Q
QVerlust,0°C
kleiner 100% wegen Übererwärmung z.B. in der
Übergangszeit
QSolar+QInnere
0
1) gemäß vereinfachtem Heizperioden-Verfahren
2) abhängig von (HT+HV)/AN; hier für (HT+HV)/AN < 2
adam
6
12
Qverlust,+15°C
18
24 h
Fenster 5
Vergleich verschiedener Verglasungsarten
U-Wert Glas
[W/m2K]
g-Wert Lichtdurchlässigkeit [%]
[%]
bis 5,8
87 %
> 90 %
2 Scheiben „Isolierverglasung“
12 mm Abstand, Luftfüllung
2,8 - 3,0
80 %
ca. 90 %
2 Scheiben „Wärmeschutzverglasung“
8 bis 20 mm Abstand (→ U, g sinken)
Argon - Krypton - Xenon Füllung (→ U, g sinken)
0,8 - 1,4
55 - 65
76 - 78 %
1 Scheibe
aktueller Standard: UGlas = 1,1 W/m²K
0,4 - 0,7
3 Scheiben „Wärmeschutzverglasung“
je 8 bis 10 mm Abstand (→ U, g sinken)
Krypton - Xenon Füllung (→ U, g sinken)
40 - 50
64 - 67 %
g-Wert = Gesamtenergiedurchlassgrad für Solarstrahlung bei senkrechtem Einfallwinkel
berücksichtigt
- direkte Transmission von Solarstrahlung im gesamten Wellenlängenspektrum
- indirekte Transmission, d.h. Absorption von Solarstrahlung in der Verglasung
und anschließende Wärmeabgabe an den Raum
adam
Fenster 6
Wärmeschutzverglasung
dünne Edelmetallschicht auf der
Außenseite der
inneren Scheibe
Physikalische Wirkung im infraroten
Wellenlängenbereich:
• Absorptionskoeffizient von
Fensterglas = ca. 1,0
 Innere Scheibe erwärmt sich durch
freie Konvektion und durch Absorption
von Infrarotstrahlung aus dem Raum
2-ScheibenWärmeschutzverglasung
außen
• Emissionskoeffizient der
Edelmetallschicht = ca. 0,0
innen
 Weitertransport der Wärme durch
infrarote Abstrahlung nach außen ist
unterbunden
Edelgas
Trockenmittel
Abstandhalter
Dichtung
Dichtung
• Edelgas im Scheibenzwischenraum: Reduzierung des Wärmetransports durch
Leitung und Konvektion im Vergleich zu Luftfüllung
adam
Fenster 7
Fensterrahmen und Glasabstandhalter
U-Werte von Rahmen: Uf = 0,7 bis 2,8 W/m2K (handelsüblich 1,4 W/m2K; f: frame)
typische Rahmenanteile an Fenstern: 15 bis 30 %
Beispiel: Fenster mit 3-Scheiben-Wärmeschutzverglasung, Ug = 0,7 W/m²K (g: glazing)
• Standard-Rahmen
aus Holz
Uf = 1,4 W/m²K
• Rahmen mit sehr
gut wärmegedämmtem Kern
Uf = 0,7 W/m²K
• Abstandhalter aus
Aluminium
• Abstandhalter aus
Kunststoff
• wenig überdeckter
Glasrandverbund
• überdeckter Glasrandverbund
 U-Wert Fenster
(w: window)
Uw = 1,1 W/m²K*
 U-Wert, Fenster
(w: window)
Uw = 0,73 W/m²K*
U-Wert des Fensters insgesamt ist entscheidend
gute Rahmenqualitäten und Abstandhalter aus Kunststoff („warme Kante“) wählen
hohe Rahmenanteile vermeiden  geringere Verluste, größere Gewinne
*: für Normfenster 1,23 m x 1,48 m
adam
Fenster 8
Energiebilanz am Fenster = f (Fensterfläche, Fensterart)
Fensterflächenanteil ↑
Jahresheizwärmebedarf [kWh/a]
 gegenläufige Effekte
 solares Energieangebot ↑
Ausnutzungsgrad
der solaren
Wärmegewinne ↓
(Ablüften bei
Übererwärmung)
 Transmissionswärmeverlust ↑
Glasfläche an der Südfassade eines Passivhauses [m2]
Senkung des Heizwärmebedarfs durch größere Fensterflächen
- nur bei hoher Güte der Fenster im Vergleich zur ersetzten Wandfläche
- nur bei südlicher Ausrichtung der Fenster (± 20°)
Quelle: W. Feist, Grundzüge der Gestaltung von Passivhäusern
adam
Fenster 9
Fenster und sommerlicher Überhitzungsschutz
Kritische Aspekte
•
Schrägverglasungen z.B. im Dach
( sehr günstige Einstrahlwinkel)
•
große Ost- bzw. Westverglasung (wegen tief
stehender Morgen-/Abendsonne im Sommer)
•
sehr große Südverglasung
(aber durch Überstände gut zu verschatten)
Maßnahmen
•
je nach Himmelsrichtung angepasste, moderate Verglasungsfläche
(zumal viel Glas den Heizwärmebedarf fast immer vergrößert)
•
wirksame Sonnenschutzmaßnahmen, vor allem bei Schrägverglasungen
(für den Winter ist temporärer Sonnenschutz etwas besser als feststehender, da
feststehender Sonnenschutz solare Wärmegewinne im Winter etwas behindert)
•
und: Wärmedämmung, thermische Gebäudemasse, Nachtlüftung
adam
Fenster 10
Übung: Energiebilanz am Fenster
Berechnen Sie mit den Rechenansätzen des EnEV-Nachweisverfahrens für jede
Himmelsrichtung, wie klein der U-Wert eines Fensters sein muss, damit die Energiebilanz
am Fenster ausgeglichen ist, d.h. damit gilt:
Transmissionswärmeverluste = Solare Wärmegewinne
(Annahme: Uw = Ug; kein Wärmebrückenzuschlag)
• vereinfacht, mit konstantem g-Wert von 60 %
• genauer, unter Berücksichtigung des Aspektes, dass geringere U-Werte mit geringeren gWerten einhergehen (siehe Tabelle)
iterativ vorgehen, d.h.
- g-Wert wählen
- U-Wert ausrechnen
- überprüfen, ob der berechnete U-Wert zu dem g-Wert passt
- wenn nicht, g-Wert verändern und neuen U-Wert ausrechnen
- usw.
Lösungen: 1,32 W/m²K, 0,76 W/m²K, 0,49 W/m²K;
ca. 65 % - 1,43 W/m²K; ca. 45 % - 0,57 W/m²K; ca. 37 % - 0,30 W/m²K
adam
Fenster 11