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GRUNDLAGEN GRUNDLAGEN Energiesparendes Bauen im Handwerk 1 GRUNDLAGEN 1. Wärme 1.1 Was ist Wärme Wärme wird beschrieben als „Bewegungsenergie der Moleküle“ eines Stoffes. Sie ist eine Energieform wie mechanische Energie (Schwungrad, Höhenlage, etc.) chemische Energie oder elektrische Energie. Energie ist die Fähigkeit, Arbeit verrichten zu können. Wärme kann in mechanische und elektrische Energie umgewandelt werden, wie auch diese ihrerseits in Wärme umgewandelt werden können. z.B. wandeln wir chemische Energie in Wärmeenergie um, wenn wir Holz, Kohle, Gas oder Öl verheizen. Die SI-Einheit1 für die Wärmemenge = Energiemenge ist das Joule [J] Das verwendete Formelzeichen ist Q Von Wärmeleistung ( Wärmestrom ) spricht man, wenn eine Wärmemenge in einer bestimmtem Zeit umgesetzt wird. Leistung = Arbeit pro Zeiteinheit = Joule pro Sekunde = Watt [ W ] Die SI-Einheit für die Wärmeleistung ist also das Watt. 1 Watt = 1 Joule pro Sekunde [ J/s ] • Das verwendete Formelzeichen ist 1.2 Q ( sprich Q Punkt ) Wärme – Temperatur Da Wärmeenergie Arbeit leisten kann, verändern sich die Eigenschaften von Stoffen, wenn sie mit Wärme in Berührung kommen. Je nachdem, ob Wärme zu- oder abgeführt wird, ändert sich der Energiezustand ( das Energieniveau ) des Stoffes. Zur Beschreibung dieser Eigenschaft dient der Begriff "Temperatur". Je höher die Temperatur eines Körpers ist, um so heftiger bewegen sich die Moleküle, aus denen er besteht. In der Alltagssprache benutzen wir Wörter wie "kalt", "lau", "warm" oder "heiß". Diese Abstufung nehmen wir mit Hilfe unseres Tempera1 2 SI = System International = Internationale Vereinbarung über Einheiten im Meßwesen Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN tursinns vor. Die Haut enthält nämlich Zellen, welche die Kalt- bzw. Warm Empfindungen auslösen. Diese Zellen reagieren aber nur auf Unterschiede zur Körpertemperatur an der betreffenden Stelle. So können wir nicht unterscheiden, wie warm oder kalt ein Stoff tatsächlich genau ist, sondern nur ob er kälter oder wärmer ist, als unser derzeitiger Zustand an dieser Berührungsstelle. Um diese Wärmezustände genauer und wiederkehrend beschreiben zu können, müssen also feststehende, bei gleichen Bedingungen immer wiederkehrende Ereignisse genommen werden, um die Temperatur eines Stoffes zu beschreiben. 1.3 Festlegung einer Temperaturskala (DIN 1345 ) Von grundsätzlicher Bedeutung in diesem Zusammenhang ist die Ausdehnung der Stoffe beim Erwärmen. Sieden und Schmelzen von Stoffen sind durch bestimmte Temperaturwerte (Fixpunkte) gekennzeichnet. Daran lassen sich Eckwerte definieren: z.B. 1. Die Temperatur des schmelzenden Eises erhält eine Marke, sowie die Temperatur des siedenden Wassers. 2. Um Zwischenstufen zu erhalten, wird der Abstand zwischen den Marken in 100 gleiche Teile aufgeteilt und den Teilstrichen die Werte 1o , 2o , 3o usw. zugeordnet. Man erhält die sogenannte Celsiusskala [ °C ], die die bei uns übliche Temperaturskala darstellt. Diese Skala wird mit gleicher Schrittweite nach oben und unten fortgesetzt. Temperaturen unter 0o C kennzeichnet man durch negative Zahlen. - 6o C bedeutet demnach: 6o C unter Null. In den angelsächsischen Ländern wird noch häufig mit der Fahrenheitskala [ °F ] gearbeitet. Diese unterscheidet sich von der Celsiusskala durch eine andere Aufteilung: • • Der Abstand zwischen Eispunkt und Siedepunkt des Wassers ist in 180 Teile aufgeteilt, Der Eispunkt liegt bei 32 °F Im SI-Einheitensystem 1 ist aber als Basiseinheit für das Maß der Temperaturen das Kelvin [ K ], 1 SI = System International = International vereinbartes Maßsystem Energiesparendes Bauen im Handwerk 3 GRUNDLAGEN das als Einheit zu verwenden ist. Lediglich wegen der Übereinstimmung der Abstände auf der Skala ist die Celsiusskala zum Alltagsgebrauch zugelassen, mit dem Abstand 1K von Strich zu Strich, d.h. der Unterschied zwischen 20 °C und 23 °C sind 3 Kelvin. Grundlagen 1: Vergleich der gültigen Temperaturskalen, Quelle: Fachmathe. für ZHLB, Klett Verlag Diese, auch thermodynamische Temperatur genannte Einteilung, beruht auf der physikalischen Gegebenheit, daß sich Gase sehr gleichmäßig bei Temperaturänderung ausdehnen bzw. zusammenziehen und zwar bei Änderung der Temperatur um 1K ändert sich ihr Volumen um 1/273 ihres Volumens bei 0 °C. Daraus leitet man ab, daß es logischerweise dann keine niedrigere Temperatur als – 273 °C geben kann. Dieser absolute Nullpunkt liegt theoretisch bei -273,16o C. Diesen Punkt setzt man als absoluten Nullpunkt und ordnet im die Größe 0 Kelvin zu. Für die Umrechnung der einzelnen Skalen untereinander gilt: T in Kelvin ϑ in °C 1.1 t in °F °C ⇔ °F K ⇔ °C ϑ = T – 273 ϑ = 5/9 [t – 32] T = ϑ + 273 t = 9/5 ϑ + 32 T = 32 + 273 = 305 K ϑ = 255 – 273 = -18 °C ϑ = 104 – 32 = 72x 5/9 = 40 °C t = 25x 9/5 = 45 + 32 = 77 °F Beispiel a): Wieviel Kelvin sind +32 °C? Beispiel b): Wieviel °C sind 255 K? Beispiel c): Wieviel °C sind 104°F? Beispiel d): Wieviel °F sind 25 °C? Als Formelzeichen für Temperaturangaben in der Celsiusskala wird der griechische Buchstabe Absoluttemperaturen T. 1.4 ϑ (klein Theta ) verwandt, für Wärmetransport Erhitzen wir Wasser, so führen wir diesem Wärmeenergie zu und seine Temperatur steigt. Sind Temperaturunterschiede vorhanden, so gleichen sich diese im Laufe der Zeit aus. Der Transport von Wärmeenergie erfolgt immer vom Ort höherer Temperatur zum Ort niedrigerer Temperatur, solange, bis ein Temperaturausgleich hergestellt ist. 4 Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN Beispiel: Ein heißer Ofen gibt also solange Wärme ab, bis seine Temperatur und die Umgebungstemperatur gleich sind. ( Wärmflasche, Essen ) Entsprechend erfolgt auch ein Wärmetransport durch Gebäudeteile, wenn in einem Gebäude die Innentemperatur von der Außentemperatur verschieden ist, oder Räume unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Der Transport von Wärme erfolgt auf drei Arten: 1. durch Wärmeströmung ( Konvektion ) 2. durch Wärmeleitung 3. durch Wärmestrahlung 1.4.1 Wärmeströmung (Konvektion) ist Wärmetransport durch die Bewegung von Flüssigkeiten oder Gasen. Natürliche Wärmeströmung entsteht u.a. durch Temperaturunterschiede. Wärmere Flüssigkeiten oder Gase steigen auf, kältere sinken ab. Über einem Heizkörper steigt die warme Luft auf, während sie nach Abkühlung zu Boden sinkt. Wärmeströmung kann durch Ventilatoren oder Pumpen auch künstlich erzeugt werden, wie dies z.B. durch die Umwälzpumpe der Zentralheizung geschieht. Das nennt man erzwungene Konvektion. 1.4.2 Wärmeleitung kommt dadurch zustande, daß in festen Körpern, Flüssigkeiten und in geringem Maße in Gasen die Wärmeenergie innerhalb des Stoffes unmittelbar durch Schwingungsübertragung der Moleküle weitergeleitet wird. Hält man einen Metallöffel in ein Glas mit heißem Wasser, fühlt man, wie er sich erwärmt. Dabei ist zu beobachten, daß diese Wärmeleitung je nach Stoff unterschiedlich stark ist. Der besagte Löffel aus Metall z.B. leitet wärme sehr gut, während das gleiche Werkzeug aus Kunststoff ein schlechter Wärmeleiter ist. 1.4.3 Wärmestrahlung Bei der Wärmestrahlung wird Energie durch elektromagnetische Wellen transportiert. Jeder Körper, dessen Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes ist, strahlt Wärmeenergie ab. Dies geschieht ohne Medium ( also auch im Vakuum ) zwischen sich nicht berührenden Körpern. Beim Auftreffen auf einem Körper wird die Strahlungsenergie ganz oder teilweise absorbiert ( aufgenommen ) und in Wärmeenergie umgewandelt. In wie weit die Strahlung absorbiert oder reflektiert wird, hängt von den Eigenschaften des jeweiligen bestrahlten Stoffes ab. z.B. Die Strahlungsenergie der Sonne oder einer Lampe erwärmt einen Raum. Wir verspüren diese Strahlung als Wärme auf der Haut. Dunkle Oberflächen werden bei gleicher Einstrahlung wärmer als helle. Energiesparendes Bauen im Handwerk 5 GRUNDLAGEN 2. Thermische Behaglichkeit 2.1 Grundlagen Obwohl sich der Mensch wechselnden äußeren Luftzuständen anpassen (akklimatisieren) kann, gibt es doch einen deutlichen Bereich, - Behaglichkeitsbereich - innerhalb dessen er sich am wohlsten fühlt. Genauer gesagt, ist damit das thermische Gleichgewicht des Körpers bei verschiedenen physikalischen Umwelteinflüssen gemeint. Strenge Grenzen für diesen Bereich kann es allerdings nicht geben, da eine große Anzahl anderer Faktoren als die unmittelbaren thermischen Umgebungsbedingungen (z.B. Kleidung, Geschlecht, Konstitution, Gesundheit, Art der Aktivität, Alter, Jahreszeit), einen Einfluß auf die Behaglichkeit ausüben. Grundlagen 2: Thermische Behaglichkeit, Quelle: Ruhrgas-Handbuch Auch psychische Elemente haben stärkere Bedeutung. Es ist aber unter bestimmten Umständen möglich, gewisse durchschnittliche Werte des Umgebungszustandes anzugeben, bei denen sich der Mensch thermisch behaglich fühlt. 6 Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN Dabei sind es außer der Kleidung und der Aktivität im Wesentlichen vier Elemente des Luftzustandes, die für die thermische Behaglichkeit von Bedeutung sind: ü die Lufttemperatur und deren Gleichmäßigkeit ϑ L ü die mittlere Umschließungsflächentemperatur ϑ AU ü die Luftfeuchte ü die Luftbewegung Daneben gibt es andere, ebenfalls den Luftzustand beschreibende Faktoren wie: ü Reinheit der Luft ü Geruchsfreiheit ü elektrischer Zustand der Luft Die thermische Behaglichkeit wird überwacht durch Kälterezeptoren (Abstrahlungsbilanzen) in der gesamten Haut und Warmrezeptoren im vorderen Stammhirn des Menschen. Diese Thermorezeptoren steuern den Wärmehaushalt des Menschen: ü wenn die Hauttemperatur unter 33°C sinkt, friert der Mensch ü wenn die Stammhirntemperatur (etwa gleich Trommelfelltemperatur) über 37°C steigt, setzt Schwitzen ein. Thermische Behaglichkeit liegt vor, wenn die vorgenannten Schwellenwerte nicht unter- bzw. überschritten werden. Da die Kälterezeptoren an der Hautoberfläche angeordnet sind, besteht hier Richtungsempfindlichkeit z. B. gegen Zugluft oder kalter Wand. Wärmeunbehagen wird über den Körperkern (Stammhirn) wahrgenommen, deshalb besteht für Wärmebelastung keine Richtungsempfindlichkeit ( mit Ausnahme der direkten Strahlungswärme ). 2.2 Wärmehaushalt des Menschen Der Mensch verfügt über eine sehr genau arbeitende Temperaturregelung, die im Zusammenwirken mit den inneren Organen für eine gleichmäßige Körperkerntemperatur von 37°C sorgt. Dabei wird die Wärme durch eine geregelte Verbrennung der aufgenommenen Nahrung unter Verwendung des Atemsauerstoffs erzeugt. In Abhängigkeit von der Aktivität des Menschen wird dabei mehr oder weniger Wärme freigesetzt. Die entstehende Wärme muß an die Umgebung abgeführt Energiesparendes Bauen im Handwerk 7 GRUNDLAGEN werden können. Dabei fühlen wir uns am wohlsten, wenn die Grundgleichung der thermischen Behaglichkeit erfüllt ist: Wärmeerzeugung = Wärmeabgabe Die Wärmeabgabe sollte nach Möglichkeit nach allen Seiten gleich stark sein. In ISO 7730, DIN 33 403/3, DIN 1946/2 und VDI 2078 sind Angaben über Werte des menschlichen Wärmehaushalts gemacht. Grundlagen 3: Wärmeabgabe des Menschen Dabei wird die Wärmeabgabe bei verschiedenen Aktivitätsgraden angegeben. Gesamtwärmeabgabe des Menschen bei verschiedenen Tätigkeiten Aktivitätsgrade I bis IV ISO 7730 und Durchschnittswerte DIN 33403/3; DIN 1946/2 Tätigkeit liegend sitzend, normale Büroarbeit Leichte Tätigkeiten ( Labor ) Mäßige Tätigkeit ( Hausarbeit ) Schwere Tätigkeit Schwerstarbeit Wärmeabgabe [W] 80 100 170 200 300 300 - 700 Aktivitätsgrad ISO 7730 I II III IV Dabei teilt sich die Wärmeabgabe in etwa folgendermaßen auf: ü ca. 79% trockene oder sensible Wärme davon ca. 46% Strahlung und 33% Konvektion und Wärmeleitung ü ca. 21% feuchte oder Verdunstungswärme davon ca. 19% Wasserverdunstung (Schweiß) und 2% Atmung ü diese Wärme wird zu ca. 88% über die Haut und ca. 12% über die Lunge abgegeben Dabei wird der Anteil der feuchten (Latent-) Wärmeabgabe bei steigender Temperatur und steigender Aktivität größer und der Anteil der trockenen (sensiblen) Wärme geht zurück. 8 Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN 2.3 Wärmeempfinden Da der Mensch mit der ihn umgebenden Luft (Konvektion, Verdunstung) und den Umgebungsflächen (Strahlung) im Wärmeaustausch steht, hängt sein Wärme- und damit Temperatur empfinden im Wesentlichen von diesen beiden Faktoren ab. In der Literatur wird dabei der Oberflächentemperatur der Umschließungsflächen ein Anteil von 43 – 63% an der Empfindungstemperatur zugeordnet. Je kälter die Umschließungsflächen sind, um so höher muß demnach die Raumlufttemperatur sein, um diesen Einfluß zu kompensieren. Vereinfacht kann die empfundene Raumtemperatur ϑ E als arithmetisches Mittel aus Raumlufttemperatur ϑ R und (mittlerer) Umschließungsflächentemperatur ϑ AU dargestellt werden. ϑE = ϑL + ϑ Au 2 Die als behaglich empfundene Temperatur (Raumlufttemperatur) beträgt in Aufenthaltsräumen ca. 19-23°C. Dabei sollte die Differenz zwischen Raumlufttemperatur und Umschließungsflächentemperatur möglichst im Winter nicht über 2K und im Sommer nicht größer als 3K sein, damit der vom Körper in Richtung kalter Fläche abfließende Wärmestrom nicht als unangenehmer Zug empfunden wird. Dies läßt sich durch eine gute Wärmedämmung ( k-Wert1 < 0,7 W/m²K ) der Außenbauteile erreichen. Eine zu niedrige Umschließungsflächentemperatur kann nur in gewissen Grenzen durch eine Erhöhung der Raumlufttemperatur ausgeglichen werden. Die nach DIN 4701 zur Berechnung der Heizlast von Gebäuden anzusetzende Rauminnentemperatur ist eine solche empfundene Temperatur, auch mittlere Strahlungstemperatur genannt, die nicht direkt me ßbar ist. Für körperliche Arbeit verrichtende Personen liegen die günstigsten Temperaturen niedriger, und zwar je mehr, je anstrengender die Arbeit ist. Grundlagen 4: Behaglichkeitsfeld als Funktion von Raumlufttemperatur und Raumumumschließungsflächentemperatur Je nach Arbeit werden Temperaturen zwischen 10°C und 18°C als angenehm empfunden. 1 Wärmedurchgangszahl, beschreibt den Wärmeverlust durch Bauteile, siehe eigenes Kapitel Energiesparendes Bauen im Handwerk 9 GRUNDLAGEN Wesentlich ist dabei die Gleichmäßigkeit der Temperaturen im Raum! In allen geheizten Räumen bestehen je nach ü Art der Heizung ü Lage, Größe und Übertemperatur der Heizflächen ü der Außentemperatur Temperaturunterschiede sowohl in waagerechter wie in senkrechter Richtung. Auch die Aufenthaltsposition im Raum und die Entfernung zum Fenster sind von Bedeutung. Bei hohen Übertemperaturen der Heizflächen sind die Temperaturgradienten -(Temperaturschichtung )- wesentlich ungünstiger, ebenso bei Heizkörpern, die kürzer als die Fensterbreite sind. Dicht über dem Fußboden ist immer ein etwas kälterer Bereich, insbesondere bei undichten Fenstern, Fenstern und Umschließungsflächen mit schlechter k-Zahl sowie Heizeinrichtungen an Innenwänden. Die Temperaturschichtung (Temperaturgradient) über die Raumhöhe sollte3K/m nicht überschreiten. Grundlagen 5: Temperaturprofile über die Raumhöhe bei unterschiedlichen Beheizungsarten ( Quelle : Soller/Munkelt „Der Heizungsbauer“). : 1= kurzer HK mit hoher Übertemperatur unter dem Fenster, typisch die höhere Temperatur bei ca. 2m Raumhöhe durch den hohen Konvektionsanteil, und deutlich niedrigere Temp. Etwa 20-30 cm über Fußboden; 2= HK mit niedriger Übertemp. und fensterbreit, typisch die nur leicht erhöhte Temperatur im Bereich 1 – 2 m Raumhöhe ( Aufenthaltsbereich ) durch den bei niedrigeren Temperaturen reduzierten Konvektionsanteil des Heizk. Und die sehr geringe Kaltzone im Fußbereich. 3= Fußbodenheizung in einem Zwischengeschoß, auffallend die Kaltzone im Fußbereich, die so meist nicht vermutet wird 4= HK an der Innenwand montiert, hier fällt die außerordentlich ungünstige Temperaturverteilung ( sehr niedrige Temperaturen = Zugerscheinung im Fußbereich, hohe Temperaturen im Deckenbereich ) auf. 10 Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN 2.4 Raumluftfeuchte Da die Wärmeabgabe des Menschen auch, wie schon in Abschnitt 1.4 beschrieben, in gewissen Maßen über die Verdunstung auf der Haut erfolgt, - je größer die Aktivität, um so mehr -, hat auch die Raumluftfeuchte einen erheblichen Einfluß auf das Wohlbefinden des Menschen. Die Stärke dieser Verdunstung hängt bei sonst gleichen Bedingungen von der Differenz des Dampfdruckes auf der Haut zum Dampfdruck ( Feuchtegrad ) der Luft ab. Der Zustand der Raumluftfeuchte wird beschrieben durch die Begriffe „Relative Luftfeuchte“ und „Taupunkt“ ( Taupunkttemperatur ). Da das Feuchtigkeitsaufnahmevermögen von Luft temperaturabhängig ist,( je wärmer die Luft, um so mehr Feuchtigkeit Grundlagen kann sie aufnehmen ) beschreibt direlative Feuchte den Grad der Sättigung der Luft bei der entsprechender Lufttemperatur ( 100% r.F.(r.H. 1) = Sättigung = maximales Aufnahmevermögen ). Der Taupunkt (die Taupunkttemperatur) beschreibt demgemäß die Temperatur, bei der die gemessene relative Luftfeuchte den Sättigungspunkt 100% r.F. erreicht, bzw. überschreitet. 6: Behaglichkeitsfeld als Funktion von Raumtemperatur und relativer Luftfeuchte Der Mensch fühlt sich nach einschlägigen Untersuchungen bei geringer bis mittlerer Aktivität in einem Bereich von etwa 35 bis 60 % relativer Luftfeuchte am wohlsten. Desweiteren haben Untersuchungen gezeigt, daß innerhalb dieser Grenzen die Austrocknung von natürlichen Fasern und Baustoffen in akzeptablen Bereichen liegt. Auch auf gesundheitliche Aspekte beim Menschen hat die Luftfeuchte direkten Einfluß: ü zu niedrige Luftfeuchte belastet die Schleimhäute durch Austrocknung und erhöht das Infektionsrisiko, ü höhere Luftfeuchtigkeit wirkt dem entgegen; ü Viele Kunststoffe laden sich bei zu niedriger Luftfeuchte statisch auf und ziehen dadurch Staub an, bzw. verursachen elektrostatische Entladungen. (Kleidung) Die in einem Raum auftretende Feuchte hängt im Wesentlichen von folgenden Faktoren ab: ü der Feuchteproduktion im Raum ü dem Luftaustausch zwischen der Außenluft ,sowie deren Temperatur und Feuchte ü der Feuchteaufnahmefähigkeit von Wänden und Einrichtung dem Feuchtetransport durch Außenbauteile 1 Grundlagen 7: Luftfeuchteproduzenten r.H. = engl. relative Humidity für relative Luftfeuchte Energiesparendes Bauen im Handwerk 11 GRUNDLAGEN 2.5 Luftbewegung Als weiteren Parameter für die Behaglichkeit kommt der Luftbewegung im Raum eine erhebliche Bedeutung zu. Während der Mensch im Freien eine mäßige Luftbewegung als durchaus angenehm empfindet, reagiert er in geschlossenen Räumen überwiegend empfindlich gegen jede Art von merklicher Luftströmung. Als besonders unangenehm wird eine solche Strömung beschrieben, wenn die bewegte Luft eine niedrigere Temperatur als die Raumluft aufweist und / oder vorwiegend aus einer definierten Richtung kommt. Man spricht in solchen Fällen von Zugluft. Eine Mindestluftbewegung ist jedoch für Wärmeregulierung und Stofftransport dringend erforderlich. Grundlagen 8: Behaglichkeitsfeld als Funktion von Raumlufttemperatur und Luftströmumgsgeschwindigkeit unter der Annahme leichter Aktivität. Diese jedoch maßlich festzulegen ist kaum möglich, da die Empfindung / Empfindlichkeit von vielen Faktoren abhängt, insbesondere auch vom Turbulenzgrad der Luftströmung. Man begnügt sich daher zunächst damit, zulässige mittlere Luftgeschwindigkeiten in Zusammenhang mit der Lufttemperatur zu definieren. Diese Grenzwerte der Luftgeschwindigkeiten werden jedoch nicht nur durch Lüftungssysteme oder gewollte und ungewollte Lüftungsöffnungen beeinflußt, sondern auch durch thermische Raumströmung (Konvektion). Diese wird zum Einen von Heizflächen und deren Standort initiiert und zum Andern durch Umgebungsflächen mit Unter- oder Übertemperaturen gegenüber der Raumlufttemperatur. Diese Zugerscheinung durch Untertemperatur ist jedem als Behaglichkeitsstörung vor großen Fensterflächen bekannt. Grundlagen Es ist anhand dieser Graphik leicht nachvollziehbar, daß bei entsprechender Fenstergröße und – untertemperatur ein mehrfaches des Raumvolumens 9: Luftgeschwindigkeiten, die bei entsprechender Fensteruntertemperatur und pro Stunde umgewälzt wird, und die noch akzeptable Fensterhöhe auftreten. Luftgeschwindigkeit vor Fenstern und anderen „Kaltflächen“ schnell überschritten wird. Das kann in vielen Fällen zu „Zugerscheinungen“ führen. In diesem Zusammenhang sind Bekleidung und Aktivität des Menschen von besonderer Bedeutung. Denn: Je aktiver der Mensch ist, um so höher ist seine Abwärmelast, um so weniger empfindlich reagiert er auf die Luftgeschwindigkeit. 12 Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN 3. 3.1 Wärmeschutz Grundsätze des Wärmeschutzes Im 19. Jahrhundert gab es zahlreiche Gebäude, in denen aufgrund von Zugerscheinungen eine Temperatur von 20o C an kalten Tagen nicht erreichbar war. Bei Gebäuden ohne Zugerscheinungen zeigte sich, daß ein bestimmter Mindestwärmeschutz notwendig war, um Stockflecken an den Wänden zu vermeiden. Steigendes Gesundheits- und die Hygienebewußtsein setzten im beginnenden 20. Jahrhundert einen gewissen Mindeststandard durch. In den 20er Jahren wurde zum ersten mal über Energieeinsparung diskutiert, Stichwort - Kohleknappheit -. Der Begriff Mindestwärmeschutz wurde aber erst 1995 in der DIN 4108 "Wärmeschutz im Hochbau" festgeschrieben: In der DIN 4108 wurden Mindestwärmedurchlaßwiderstände festgelegt. Mit dieser DIN glaubte man den richten Kompromiß zwischen Lüften und Wärmeschutz gefunden zu haben. Diese Norm orientierte sich an den damals seit Jahrzehnten üblichen Wanddicken. Deutschland wurde in drei Wärmedämmgebiete (I, II und III) eingeteilt. Der Wärmedurchlaßwiderstand für das Wärmedämmgebiet I entsprach ungefähr einer 30er Vollziegelwand bzw. einer Hohlwand aus zwei Schalen aus Vollziegelmauerwerk (11,5 cm + 7 cm Luftschicht + 11,5 cm) . Für das Wärmedämmgebiet II entsprach die Anforderung einer 36,5 cm Vollziegelwand. Weiterhin wurden Doppel- oder Verbundfenster empfohlen. Für das Wärmedämmgebiet III wurden diese Fenster vorgeschrieben. Man sah in der Norm die Voraussetzung für die Schaffung "gesunder und behaglicher Räume" und sprach daher in diesem Zusammenhang vom hygienischen Wärmeschutz. Die Überarbeitung der DIN 4108 von 1960 und 1969 führt nur zu unwesentlichen Änderungen, obwohl niedrige Oberflächentemperaturen an der Innenseite die Gefahr von Schimmelpilzflecken förderten. Eine drastische Zunahme von Schimmelpilzflecken in Wohnungen trat nach 1973 auf: Um Energie zu sparen, wurden die Fenster geschlossen gehalten. Neue Fenster mit Gummidichtungen führten zum Wegfall der "natürlichen Lüftung" durch Fugendurchlässigkeit. Energiesparendes Bauen im Handwerk 13 GRUNDLAGEN Der Mindestwärmeschutz war nicht mehr ausreichend. Am 30.1.1975 wurden die ergänzenden Bestimmungen zur DIN 4108 eingeführt: ü Wärmedämmgebiet I entfiel, ü Fenster mit doppelter Verglasung in Aufenthaltsräumen, ü Höchstwerte der Fugendurchlässigkeit von Fenstern wurden begrenzt, ü km (W + F) 1 durfte1.86 W/m 2 . K geschoßweise nicht überschreiten. Diese Vorschriften galten nicht für den Altbau. Ab 1981 regelt die Neubearbeitung der 4108 weiterhin den Mindestwärmeschutz und zum energiesparenden Wärmeschutz wird auf die Wärmeschutzverordnung verwiesen. Die Wärmedämmgebiete entfallen und die neuen Anforderungen entsprechen dem alten Wärmedämmgebiet III. Anmerkung: Um die im Kapitel Behaglichkeit genannten Kriterien ( Wandoberflächentemperatur max. 3K unter Raumlufttemperatur ) einzuhalten, ist eine max. k-Zahl von 0,7 W/m²K notwendig. 3.2 Wärmeschutzverordnung ( WSchV ) Durch die Wärmeschutzverordnung begrenzt der Gesetzgeber die Transmissionswärmeverluste durch die Außenbauteile. Schlecht gedämmte Bauteile dürfen gegen andere Bauteile mit höherem Wärmeschutz aufgerechnet werden. Diese 2. WSchV trat am 01.01.1984 in Kraft. Inzwischen wurde am 16.08.1994 die dritte Fassung der WSchV erlassen, sie ist am 01.01.1995 in Kraft getreten. Entscheidend für die in dieser 3. WSchV angestrebten CO2Reduzierungen werden die verschärften Vorschriften für den Altbaubereich sein, die jedoch nur einzuhalten sind, wenn sowieso bauliche Änderungen durchgeführt werden. 3.2.1 Bedeutung des nachträglichen Wärmeschutzes Nur rund 10 % aller Wohnungen in Deutschland sind nach der Energiekrise in den 70er Jahren gebaut worden. Nur dieser Bestand erfüllt mit Einschränkungen die Anforderungen der WSchV. 1 14 k m (W+F) = mittlerer k-Wert von Außenwand und Fenstern, Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN In Deutschland gibt es rund 33 Millionen Wohnungen bei einem jährlichen Zuwachs von etwa einem Prozent , also gut 330.000 neue Wohnungen. Das würde bedeuten, beim jetzigen Tempo würde sich der Wohnungsbestand erst in etwa 100 Jahren "von selbst erneuern". Etwa zwei Drittel der gesamten, in Wohngebäuden benötigten Energie wird in Mietgebäuden verwandt, die aber nur 30 % aller Gebäude insgesamt ausmachen. Logik: Wenn der Gebäudebestand zügig auf den Stand der WSchV95 gebracht würde könnte eine starke Reduktion der CO2 – Emissionen erreicht werden. 3.2.2 Dazu als Beispiel Denkmodell A Ein Bestand von fünf Gebäuden, die Häuser bestehen nur aus Wärmedämmung, mit Dämmniveau der 70 er Jahre k = 1,4 W/m² K Es wird ein zusätzliches Gebäude aus 40 cm Dämmstoff entsprechend einem k-Wert von 0,1.W/m² K hinzugebaut. Der mittlere k-Wert aller Gebäude nach dem Neubau beträgt dann 1,1 W/m 2K. Dies ist eine Abminderung um 15,7 %. Denkmodell B Gleicher Altbaubestand, der Neubau wird nur mit 20 cm Dämmstoff isoliert, jedoch werden die bestehenden Gebäude mit je 4 cm isoliert. Der mittlere k-Wert des Gesamtgebäudebestandes beträgt danach 0,52. W/m²K Das ergibt eine Abminderung um 63 % ! Denkmodell A und B zeigen: Dort, wo bisher ein geringes Dämmniveau vorhanden ist, bringen schon einfache Maßnahmen sehr große Verbesserungen. Gerade in diesem Bereich sind Dämmmaßnahmen besonders effektiv und daher auch wirtschaftlich interessant. Die von der Bundesregierung für Deutschland angesetzten Ziele1 können nur erreicht werden, wenn im Altbaubestand in hohem Maße nachträgliche Wärmeschutzmaßnahmen durchgeführt werden. 1 Laut Beschluß der Regierung soll sich das nationale Reduktionsprogramm Deutschlands an einer CO2-Emissionsminderung von rund 25 % bis zum Jahre 2005 orientieren. Energiesparendes Bauen im Handwerk 15 GRUNDLAGEN 3.3 Lüftungswärmeverluste und Luftundichtigkeiten Je weiter zukünftig die Transmissionswärmeverluste herabgesetzt werden, desto größer wird der Anteil des Lüftungswärmebedarfs am Jahresheizenergiebedarf des Gebäudes. Die bedarfsgerechte Lüftung wird dadurch eine größere Bedeutung gewinnen. Ein komplettes Unterbinden einer Lüftung ist jedoch keine geeignete Energiesparmöglichkeit, denn aus hygienischen Gründen ist in Gebäuden ein Luftaustausch notwendig. Die Größe des Luftaustauschs wird vielfach durch die sog. Luftwechselrate beschrieben. Grundlagen 10: Wärmeströme bei unterschiedlichen Dämmstandarts / Verhälnisse Lüftungswärme- zu Transmissionswärmeverlust Quelle: IVH 3.4 Luftwechselrate Eine Luftwechselrate von 1 pro Stunde ( 1/h oder h-1 ) bedeutet, daß das gesamte Raumluftvolumen in einer Stunde einmal ausgetauscht wird. Als hygienisch notwendiger Mindestluftwechsel wird in DIN 1946 0,5 - 0,8 1/h genannt. Eine Luftwechselrate von 0,8 erfordert bei heutigen Gebäuden, deren Fenster mit Gummidichtungen ausgestattet sind, ein bewußtes Lüften. Ein daraus abgeleitetes Argument, man könne dann doch besser gleich auf die Gummidichtungen verzichten, ist aber nicht richtig, denn damit würden auch ungenutzte Räume ständig gelüftet, und bei stärkerem Wind wäre der Luftwechsel insgesamt zu hoch. Im übrigen bieten fugendichte Konstruktionen einen wesentlich besseren Schallschutz als Fenster ohne Gummidichtungen. 4. Allgemeiner Wärmeschutz Wärmeschutz bedeutet, den Wärmetransport durch Wärmeleitung, Wärme strömung oder Wärmestrahlung so gering wie möglich zu halten. Wärmeschutzmaßnahmen: Da zu den verschiedenen Jahreszeiten die Richtung des Wärmetransports durch das Bauteil unterschiedlich ist, unterscheidet man zwischen sommerlichem und winterlichem Wärmeschutz. 16 Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN 4.1 Winterlicher Wärmeschutz In unseren Breiten spielt der winterliche Wärmeschutz die wichtigste Rolle, dabei soll der Wärmeverlust von innen nach außen durch die Außenbauteile und Gebäudeöffnungen vermindert werden. Ein Teil der Wärmeverluste entsteht durch die Heizung, da ein gewisser Anteil der heißen Abgase ungenutzt durch den Kamin nach außen entweichen. Die größten Wärmemengen gehen allerdings wegen der Transmission1 durch die Außenbauteile verloren. 4.2 Sommerlicher Wärmeschutz muß grundsätzlich nachgewiesen werden, wenn das Gebäude mit einer Klimaanlage ausgestattet wird, ansonsten nur für Fassaden mit einem Fensterflächenanteil > 50 %, wobei die Nordfassade und ganztägig verschattete Fassaden nicht nachgewiesen werden müssen. Im Sommer werden Gebäude durch Sonneneinstrahlung aufgeheizt. Dies kann durch geeignete Maßnahmen vermindert werden, wie z. B. ü Auftragen von hellen Oberflächenbeschichtungen auf die Außenhülle ü Beschatten des Gebäudes durch Fensterläden und Jalousien ü Sonnenblenden ü Bäume oder Fassadenbegrünung ü Hinterlüftung der Außenhülle 4.3 Konstruktionsprinzipien für den allgemeinen Wärmeschutz an Außenbauteilen Wärme wird hauptsächlich durch Wärmeströmung und Wärmeleitung durch die Außenbauteile abgegeben. Während Wärmeströmung ( Konvektion ) durch Winddichtigkeit verhindert werden kann, wird die Wärmeleitung durch Wärmedämmschichten nur vermindert. Die Anordnung solcher Dämmschichten an Gebäuden bestimmt wesentlich den Temperaturverlauf und damit die Temperaturschwankungen ( Tagesgang der Wandtemperatur (Temperaturgradienten)) im Bauteil. 4.4 1 Vermeidung von Wärmebrücken Transmission = durchdringen von geschlossenen Bauteilen Energiesparendes Bauen im Handwerk 17 GRUNDLAGEN Wärmebrücken, die durch Nachlässigkeiten bei der Ausführung der Wärmedämmung entstehen, müssen durch handwerklich korrekte Ausführung und deren Kontrolle vermieden werden. Konstruktive Wärmebrücken werden dagegen durch die richtige Anordnung der Dämmschichten verhindert. Ist bei einbindenden Bauteilen keine Außendämmung möglich, so muß die Innendämmung zur Vermeidung von Tauwasser weit genug an dem einbindenden Bauteil entlang geführt werden. Sinn dieser Maßnahme ist es, daß im einbindenden Bauteil an der Stelle, an der die Dämmung endet, der Wärmetransport mindestens genauso groß ist, wie der durch das Außenbauteil und dessen Dämmung. 5. Grundlagen des Wärmeschutzes 5.1 Wärmeleitzahl λ 1 Sie gibt an, welche Wärmemenge von der einen Seite des Bauteils bei 1 m2 Fläche und 1 Meter Dicke bei einem Temperaturunterschied von 1 Kelvin zwischen innen und außen in 1 Sekunde zur anderen Seite geleitet wird. Einheit : W ⋅m W = m² ⋅ K m ⋅ K Die für den Hochbau maßgebenden Wärmeleitzahlen, oder auch Wärmeleitfähigkeiten genannt, findet man für Deutschland in der DIN 4108 T4 Tab 1 ( Nov. 91 ), beziehungsweise für Belgien in NBN B 62-002 ( Jan. 87 ) „Calculdes coéfficients de transmission thermique des parois des bâtiments“ dabei werden in der deutschen Norm nur Werte für die jeweiligen Baustoffe aufgelistet, die schon eine mittlere Baufeuchte ( Ausgleichsfeuchte ) berücksichtigen. 5.2 Wärmeleitfähigkeit üblicher Baustoffe nach NBN B 62-002 Auszüge Erklärung der verwendeten Symbole: 1 18 Klein Lambda Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN λ i = Wärmeleitfähigkeit des genannten Materials als Innen- oder Au- ßenwand, wenn das Material gegen Feuchtigkeit infolge von Regen oder Kondensation geschützt ist. λ e= Wärmeleitfähigkeit des genannten Materials, ungeschützt gegen Feuchtigkeit. Material Dichte [kg / m³] λi λe [ W/mK ] [ W/mK ] Natürliche Steine : Blaustein 2700 2,91 3,49 Marmor 2750 2,91 3,49 leichtes Mauerwerk 700 – 999 0,27 0,41 Mittelschweres Mauerwerk 1000 – 1599 0,54 0,75 schweres Mauerwerk 1600 – 2099 0,90 1,10 Mauerwerk aus Voll- bzw. Lochziegeln : Mauerwerk aus Betonblocksteinen ( Porenbeton oder Beton aus Kalksandstein ) aus sehr leichten Steinen < 600 0,22 - aus leichten Steinen 600 – 899 0,30 0,50 aus mittelschweren Steinen 900 – 1199 0,40 0,62 aus halbschweren Steinen 1200 – 1499 0,60 0,90 1500 – 1799 0,85 1,20 > 1800 1,30 1,70 2200 1,40 1,69 armierter Beton 2400 1,70 2,20 Nicht armierter Beton 2200 1,30 1,70 Mineralwolle < 100 0,04 - Polyurethanschaum > 30 0,028 - Mauerwerk aus Bruchsteinen steinartige Elemente ohne Fugen: Isoliermaterialien Energiesparendes Bauen im Handwerk 19 GRUNDLAGEN Schaumglas < 100 0,040 - 120 – 130 0,045 - 130 – 140 0,048 - 140 – 180 0,053 - 180 - 200 0,070 - < 100 0,040 - Glas 2500 1 1 gebrannte Tonziegel 1700 0,81 1 Gummi 1500 0,17 0,17 Linoleum und Fliesen aus PVC 1200 0,19 - Kork andere Materialien Anmerkung: bei Materialien ohne Angaben in λe sollte eine direkte Bewitterung ausgeschlossen werden ! 5.3 Wärmedurchlaßzahl Λ 11 Die Umrechnung auf die tatsächliche Dicke des Bauteils ergibt die Wärmedurchlaßzahl. Λ Λ= λ s Einheit : 5.4 ( hier wird die Schichtdicke s in Metern eingesetzt ) W ⋅m W = m ² ⋅ K ⋅ m m² ⋅ K Wärmedurchlaßwiderstand 1/Λ Λ2 Die DIN 4108 ( Wärmeschutz im Hochbau ) gibt als Richtwert für die Bauteile den Kehrwert der Wärmedurchlaßzahl, den Wärmedurchlaßwiderstand oder Wärmedurchlaßkoeffizient an. Der Kehrwert von Λ ist 1 Einheit = Λ Der Wärmedurchlaßwiderstand 1 2 20 1 1 m² ⋅ K = = W ⋅m W W m² ⋅ K ⋅ m m² ⋅ K 1 wird in der Wärmetechnik und Λ groß Lambda der Wärmedurchlaßwiderstand wird in der Haustechnik ( DIN 4701 ) auch Wärmeleitwiderstand genannt. Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN Physik allgemein Rλ genannt und wie untenstehend beschrieben, dabei wird das Kürzel R generell für Widerstand benutzt, d für die Dicke der Schicht; 1 = Λ Rλ = λ ( sprich: R-Lambda = Klein - Lambda geteilt durch d ) d In der Regel bestehen Bauteile nicht nur aus einer Schicht. Demnach müssen pro Schicht die einzelnen Wärmedurchlaßwiderstände addiert werden. Diese Addition ergibt dann den Gesamtwiderstand. a) für den Baubereich 1 1 ∑Λ = Λ 1 + 1 1 + Λ 2 Λn = λ1 λ 2 λ + +. n s1 s 2 sn b) für den Haustechnikbereich ∑R λ = R λ1 + R λ 2 + R λn = λ1 λ 2 λ n + + d1 d2 dn Gefordert werden in der DIN 4108 vorwiegend Mindestwerte des Wärmedurchlaßwiderstandes. d. h. beim Vergleich muß der errechnete Widerstand gleich oder größer als der geforderte sein. 5.5 Wärmedurchgangswiderstand 1/k [ R k ] Er beinhaltet neben dem vorbeschriebenen Wärmedurchlaßwiderstand auch die Wärmeübergangswiderstände an den Innen- und Außenseiten der Bauteile. Wärmeübergangswiderstände 1/α α i und 1/α α a [ Ri und Ra ] Diese Wärmeübergangswiderstände berücksichtigen die Tatsache, daß die Wärmeübertragung auf konvektiver ( durch Luftströmung ) Basis an eine Wand insbesondere von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt. Die in DIN 4108 ( für die Haustechnik in DIN 4701 T2) genannten Werte berücksichtigen mittlere Geschwindigkeiten jeweils für Innen- bzw. Außenwände. Energiesparendes Bauen im Handwerk 21 GRUNDLAGEN 5.6 Wärmeübergangswiderstände nach DIN 4108 T4 Tab. 5 Wärmeübergangswiderstand 1/α αi 1/α αa (m²K/W) (m²K/W) Bauteil Außenwand ( ohne Hinterlüftung ) 0,04 0,13 Außenwand mit hinterlüfteter Fassade, Abseite zum nicht wärmegedämmten Dachraum 0,08 0,13 (2x) - 0,13 0 0,13 0,04 0,13 0,08 Wohnungstrenndecke und Decke zwischen fremden Arbeitsräumen, Wärmestrom von unten nach oben 0,13 (2x) - Desgleichen Wärmestrom von oben nach unten 0,17 (2x) - Kellerdecke 0,17 (2x) - Decke, Aufenthaltsraum nach unten gegen Außenluft 0,17 0,04 Unterer Abschluß eines ans Erdreich grenzenden Raumes 0,17 0 Wohnungstrennwand, Treppenraumtrennwand etc. An das Erdreich grenzende Wand Decke oder Dachschräge, Aufenthaltsraum gegen Außenluft ( nicht hinterlüftet ) Decke unter nicht ausgebautem Dachraum, unter Spitzboden oder belüftetem Raum 5.6.1 Wärmeübergangswiderstände Ri und Ra nach DIN 4701 T2 Tab. 16 Lage der Wandfläche und Richtung des Wärmestroms m²K/W An der Innenseite geschlossener Räume bei natürlicher Luftbewegung an Ri = 0,130 Wand- und Fensterflächen Fußböden und Decken, Wärmestrom von unten nach oben Ri = 0,130 Fußböden und Decken, Wärmestrom von oben nach unten Ri = 0,170 An der Außenseite von Gebäuden bei mittlerer Windgeschwindigkeit Ra = 0,040 In durchlüfteten Hohlräumen bei vorgehängten Fassaden oder in FlachRa = 0,090 dächern Anmerkung: bei Innenbauteilen wird der jeweilige Wärmeübergangswiderstand zweimal eingesetzt ! 22 Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN 5.7 Wärmedurchgangskoeffizient ( Wärmedurchgangszahl ) k Er ist der Kehrwert des Wärmedurchgangswiderstands, auch k-Wert genannt. Er gibt die Wärmemenge (in Watt) an, die in einer Sekunde durch 1 m 2 Bauteilfläche fließt, wenn die Temperaturdifferenz zwischen der beiderseits angrenzenden Luft 1 Kelvin beträgt. k= 1 1 = 1 1 1 1 +Σ + k αi Λ αa 5.7.1 Einheit: : W m² ⋅ K Lufthohlraum ( z. B. hinterlüftete Fassaden und Flachdächer ) Bei Außenbauteilen, die einen belüfteten Hohlraum enthalten, hängt die Temperatur in diesem Hohlraum von der Intensität der Belüftung ab. Man hat festgelegt, daß im Lufthohlraum belüfteter Bauteile rechnerisch Außenluftverhältnisse herrschen. Der gesamte Wärmeschutz wird demnach von der inneren Schale übernommen. Dabei ändert sich der äußere Wärmeübergangswiderstand 1/α a. Anstatt 0,04 m²K/W wird 0,08 m 2K/W berücksichtigt. 5.7.2 Luftschichten ( ruhende ) Die Wärmedurchlaßwiderstände von ruhenden Luftschichten ändern sich nicht gleichmäßig mit der Schichtdicke, sondern nehmen bis ca. 50 mm Stärke zu , um danach durch den dann einsetzenden Einfluß von Konvektion wieder abzunehmen. Deshalb hat man sich in DIN 4108 T4 im Interesse einer Vereinfachung der Berechnung auf drei Werte beschränkt. Rechenwerte der Wärmedurchlaßwiderstände von Luftschichten DIN 4108 T4 Lage der Luftschicht Lotrecht waagerecht Dicke der Luftschicht [ mm ] 10 - 20 > 20 - 500 10 - 500 Energiesparendes Bauen im Handwerk Wärmedurchlaßwiderstand 1/Λ [ m 2K/W ] 0,14 0,17 0,17 23 GRUNDLAGEN Rechenwerte der Wärmeleitwiderstände Rλ von ruhenden Luftschichten DIN 4701 T2 ( Haustechnik ) Lage der Luftschicht und Richtung des Dicke d der Luft- R λλ Wärmestromes schicht [ mm ] 10 20 Luftschicht senkrecht 50 100 150 [ m²K / W 0,140 0,160 0,180 0,170 0,160 Luftschicht waagerecht, Wärmestrom von unten nach oben 10 20 > 50 0,140 0,150 0,160 Luftschicht waagerecht, Wärmestrom von oben nach unten 10 20 > 50 0,150 0,160 0,210 5.7.3 Mittlerer k-Wert km Er gibt den mittleren Wärmeverlust eines Gebäudes oder Bauteils mit Flächen unterschiedlicher Wärmedämmfähigkeit ( untersch. K-Zahlen ) an. Er wird berechnet aus der Summe der mit ihren jeweiligen Flächenanteilen multiplizierten k-Werte, die durch die Gesamtfläche dividiert wird. ( arithmetisches Mittel aus k mal A ) Formel: km = k1 ⋅ A 1 + k 2 ⋅ A 2 + k n ⋅ A n A ges . Nach DIN 4108 T.5. ist diese vereinfachte Rechnung nur zulässig, sofern sich die Wärme durchlaßwiderstände um nicht mehr als den Faktor 5 unterscheiden. In der Haustechnik wird der mittlere k-Wert häufig bei Bauteilen aus unterschiedlichen Materialien ( z. B. Holzbalkendecke, Dach mit Zwischensparrendämmung ) berechnet. Hier wird anstatt der anteiligen Fläche des jeweiligen k-Wertes nur das anteilige Maß an einem Feld eingesetzt. Formel: Grundlagen 11: Skizze zur Formel 24 km = k 1 ⋅ l1 + k 2 ⋅ l 2 l1 + l 2 Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN 6. Beispielrechnung Außenwand Innen Außen Symbole d ρ λ µ Einheiten m Kg/m3 W/m ⋅ K - ⊇ Kalkgipsmörtel 0,015 1400 0,70 10 ⊄ Normalbeton 0,24 2400 2,10 70/150 ⊂ Partikelschaum 0,06 25 0,04 30/70 ⊆ Zementmörtel 0,02 2000 1,40 15/35 Festgelegte Werte Innen Außen zur Berechnung 1/ α a Wärmedurchgangswiderstand: 1/α i Celsius-Temperatur: ϑ Li = 20°C ϑ La = -10°C Relative Luftfeuchtigkeit: ϕi = 50% ϕa = 80 % Energiesparendes Bauen im Handwerk = 0,13 = 0,04 25 GRUNDLAGEN Berechnung des Wärmedurchlaßwiderstand 1/Λ Λ 6.1 Λ = = λ1 0,015 λ2 + 0,24 + 0,70 = 0,021 = 1,649 λ3 + 0,06 + 2,20 + + 0,04 0,114 + λ4 + 0,02 1,40 1,50 + 0,014 m2 K W 1 = 1 1 + αi k = 0,13 = 1,819 + Λ + 1 αa 1,649 + 0,04 m2 K W Der Kehrwert von 1/k ergibt den k-Wert. 1 = 1,819 k K 26 m2 K W 1 W 1,819 m 2K = = 0,549 W / m 2K Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN 6.3 Berechnung der Wärmestromdichte q = K = 0,55 = 16,50 (ϑ Li - ϑ La) . 30 W m2 6.4 Berechnung der Temperaturen an den Bauteilgrenzen ϑ Li = 20°C ϑ 0i = ϑ Li = 17,855°C = ϑ 0i ϑ 12 ϑ 23 ϑ 34 ϑ 0a ϑ La = 17,508°C = ϑ 12 = 15,627°C = ϑ 23 = - 9,123°C = ϑ 34 = - 9,354°C = ϑ 0a = - 10,0°C Luft Innen - q . 1 = 20 - 16,50 . d1 λ1 = 17,86 - 16,50 . d2 λ2 = d3 λ3 = d4 λ4 = αi 0,13 Oberfläche Innen - q . 0,015 0,70 ⊇-⊄ - q . 17,508 - 16,50 . 0,24 2,10 ⊄-⊂ - q . 15,627 - 16,50 . 0,06 0,04 ⊂-⊆ - q . - 9,123 - 16,50 . 0,02 1,40 Oberfläche Außen - q . 1 αa = - 9,354 - 16,50 . 0,04 Luft Außen Energiesparendes Bauen im Handwerk 27 GRUNDLAGEN 6.5 sd Berechnung des Wasserdampfdiffusionswiderstandes = µ1 d1 + µ2 d2 + µ3 d3 + µ4 d4 = 10 0,015 m + 70 0,02 m + 70 0,06 m + 35 0,02 m = 0,15 m + 16,80 m + 4,20 m + 0,70 m = 21,85 m 6.6 Ermittlung des Wasserdampfsättigungsdruck Einheiten °C Pa ϑ Li 20,0 ⇒ 2340 ϑ 0i 17,8 ⇒ 2039 ϑ 12 17,5 ⇒ 2001 ϑ 23 15,6 ⇒ 1773 ϑ 34 - 9,1 ⇒ 281 ϑ 0a - 9,4 ⇒ 274 - 10,0 ⇒ 260 ϑ La ϕi ϕa 28 = 50 % = 2340 0,5 = 80% = 260 0,8 ⇒ ⇒ 1170 Pa 208 Pa Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN 7. Mindestwärmeschutz Die Mindestanforderungen an den baulichen Wärmeschutz regelt die DIN 4108 T.2. Vorrangige Ziele sind die Schaffung eines hygienische Raumklimas, der Schutz der Baukonstruktion vor klimabedingten Feuchteeinwirkungen und Feuchteschäden . Weitergehende Forderungen sind in der Wärmeschutzverordnung enthalten. Leichte Bauteile haben nur eine geringe Wärmespeicherfähigkeit; sie ist teilweise durch eine bessere Wärmedämmung auszugleichen, womit die Auskühlung verzögert und ein schnelles Wiederaufheizen der Räume ermöglicht wird. Die DIN 4108 berücksichtigt diese Zusammenhänge durch erhöhte Anforderungen an den Wärmeschutz von leichten Bauteilen mit einem Flächengewicht von < 300 kg/m² 8. Energiesparender Wärmeschutz Mit der Einhaltung des Mindestwärmeschutzes ist noch keine größere energiesparende Wirkung der Außenbauteile zu erwarten. Hier setzt die WschV an, die wesentlich höhere Anforderungen als die DIN 4108 an die wärmeabgebende Umfassungsfläche von Gebäuden stellt. Beim Bauantrag ist neben dem Standsicherheitsnachweis auch der Nachweis des Wärmeschutzes nach der WschV für das Bauobjekt zu erbringen. Dieser Nachweis kann mit zwei unterschiedlichen Verfahren geführt werden: ü dem Kurzverfahren entspr. Bauteilmethode ü dem Langverfahren entspr. Volumenmethode Das Kurzverfahren begrenzt die Wärmeverluste des Gebäudes über bestimmte Anforderungen an die k-Werte der einzelnen Außenbauteile. Dabei wird zwischen Neu- und Altbauten unterschieden. Bei Langverfahren wird der mittlere Wärmedurchgangskoeffizient km berechnet, der alle wärmedurchlässigen Umfassungsbauteile des Gebäude erfaßt. Dieser Wert wird einem maximal zulässigen km, max , gegenübergestellt. Der km, max ,ist abhängig vom Verhältnis der Hüllfläche ( gesamte, wärmeabgebende Außenfläche ) zum Volumen des Gebäudes, genannt A / V Verhältnis. Details siehe Wärmeschutzverordnung Energiesparendes Bauen im Handwerk 29 GRUNDLAGEN 9. Wärmebewegung durch ein Bauteil Zur Erinnerung : Wärmemenge oder Wärmeenergie mit dem Zeichen Q und der Einheit J oder Ws; 1 J = 1 Ws Bestehen lokale Temperaturdifferenzen, dann erfolgt solange ein Transport von Wärmeenergie, bis Temperaturgleichheit erreicht wird. Dabei wird die Wärmemenge Q immer vom Ort der höheren Temperatur zum Ort der niedrigeren Temperatur transportiert. Bezieht man die Wärmemenge Q auf eine bestimmte Zeiteinheit, z.B. • Sekunde, dann spricht man von einem Wärmestrom Q . • • Die Wärmestromdichte q erhält man, wenn der Wärmestrom Q auf eine Fläche, z.B. auf 1 m², bezogen wird. Wärmemenge Q in Ws Wärmestrom Q in W Wärmestromdichte q in W/m 2 • • 9.1 Temperaturverlauf an und in Bauteilen 1. Wärmeübergang von Raumluft zu raumseitiger Wandoberfläche 2. Wärmedurchgang durch das Bauteil 3. Wärmeübergang von außenseitiger Wandoberfläche an die Außenluft Grundlagen 12: Graphik der Gegebenheiten des Temperaturverlaufs an und in Bauteilen anhand einer einschaligen Außenwand 30 Zuerst werden nacheinander die Oberflächentemperatur des Bauteils und dann die weiteren Temperaturen an den Trennflächen in der Wand berechnet. Diese Temperaturen werden in den Wandquerschnitten eingezeichnet. Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN 9.2 Oberflächentemperaturen von Bauteilen bei Sonnenbestrahlung An den Außenflächen eines Gebäudes übt der Farbton des Anstriches einen großen Einfluß auf die Absorption der Sonnenstrahlung und damit auf die entstehende Temperatur der Wandoberfläche aus. Der Grund dafür liegt in der Zusammensetzung der Sonnenstrahlung. Durch ihre hohe Temperatur (5.700o C) sendet die Sonne neben der langwelligen Wärmestrahlung auch sichtbares Licht und die kurzwelligen ultravioletten Strahlen aus. Die von der Wandoberfläche absorbierte Strahlung wird in Wärmeenergie umgewandelt. Gerade dunkle Oberflächen absorbieren besonders intensiv diese Strahlung und werden dadurch stark erwärmt. 9.3 Wärmeverlust Wieviel Wärme geht nach außen verloren? • Maßgebend für den Wärmeverlust Q ist ü die Fläche A des jeweiligen Außenbauteils in m 2, ü der k-Wert des Außenbauteils W/m 2 . K, ü der Temperaturunterschied ∆ ϑ zwischen innen und außen in K. • 9.3.1 Wärmeverlust Q Der Wärmedruchgangskoeffizient (k-Wert) entspricht dem Wärmeverlust eines 1 m2 großen Bauteils in 1 Sekunde bei einem Temperaturgefälle von 1 Kelvin. Der tatsächliche Wärmeverlust ist das Produkt aus: k-Wert, Bauteilgröße (Fläche), und Temperaturgefälle (Unterschied Innentemperatur - Außentemperatur),. Die Formel für den Wärmeverlust lautet • Q = A ⋅ k ⋅ (ϑi − ϑa ) [ W ] Beispielaufgabe :Ein Raum mit einer Außenwand von 4,00 m Länge und 2,50 m Höhe hat eine Temperatur von 21 oC, die Außentemperatur beträgt - 9 oC, die k-Zahl soll 0,5 W/m²K sein. Der Wärmeverlust soll für 6 Stunden berechnet werden. • Q = 4,00m x 2,50m x 0,5 W/m²K x 30K = 150 W, für 6 Stunden ergibt das dann 150 W x 6 h = 900 Wh = 0,9 kWh Energiesparendes Bauen im Handwerk 31 GRUNDLAGEN Den jährlichen Brennstoffverbrauch kann man überschläglich durch die Wärmeverluste der einzelnen Bauteile abschätzen. Für Außenwände und Dächer gilt: k-Wert mal 10 ergibt den Brennstoffverbrauch ( in Liter Heizöl bzw. m3 Erdgas ) pro m2 Wand- oder Dachfläche und Jahr. Für den Boden gilt: k-Wert mal 5 Beispiel : Bauteil Fläche k-Wert Faktor Liter HEL1 / Jahr Außenwand 200 m² 1,5 W/m²K 10 x k 3 000 Dach 140 m² 1,2 W/m²K 10 x k 1680 Bodenfläche 80 m² 0,8 W/m²K 5xk 320 Der gesamte Brennstoffverbrauch für Heizung und Warmwasserbereitung beträgt rund 5 000 Liter Heizöl im Jahr. 9.4 Jahresheizwärmeverbrauch Der Jahres-Heizwärmebedarf ist nicht zu verwechseln mit dem Energieverbrauch. Der Jahres-Heizwärmebedarf ist die Menge an Wärme, die z.B. ein Heizkessel über`s Jahr erzeugen muß, um Haus oder Wohnung auf der jeweils gewünschten Raumtemperatur zu halten. Jeder Brennstoff hat einen bestimmten Energiegehalt. Da bei der Umwandlung von Brennstoff in Wärme Verluste entstehen, ist der Energie- und Brennstoffverbrauch stets höher als der JahresHeizwärmebedarf. Der Energieverbrauch ist ein Maß für die Menge des verbrauchten Brennstoffes im Heizkessel, der JahresHeizwärmebedarf ist ein Maß für die Menge benötigter Heizwärme im Haus. 9.4.1 Wärmespeicherfähigkeit Q Die Bedeutung der Wärmespeicherung liegt darin, daß die Bauteile die im Sommer tagsüber von außen aufgenommene Wärme speichern und erst in den späten Abendstunden nach und nach an die Raumluft abgeben. Im Winter soll erreicht werden, daß die Konstruktion aus der Raumluft Wärme aufnimmt und sie bei Wegfall der Heizung langsam wieder an die Raumluft abgibt. Durch die Wärmespeicherung wird das Behaglichkeitsgefühl in einem Raum und besonders in Wandnähe größer. 32 Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN 9.4.2 Wärmespeicherfähigkeit Die Wärmespeicherfähigkeit eines Stoffes ist um so größer, je mehr Wärmeenergie er aufnehmen kann. Ein Bauteil kann um so mehr Wärme speichern: ü Je mehr Masse er hat, ü je größer seine spezifische Wärmekapazität ist (lt. Tabelle), ü je größer die Temperaturdifferenz zwischen Bauteil und der Luft ist. Die Rolle der Wärmespeicherfähigkeit wird oft überbewertet und steht praktisch an letzter Stelle sämtlicher Größen, welche im Niedrigenergiehaus den Energieverbrauch beeinflussen können. Die Speicherfähigkeit spielt nur für die zeitliche Verzögerung, bis die Wärmewelle innen ankommt, eine Rolle. In Niedrigenergiehäusern handelt es sich jedoch um so geringe Wärmeströme – wegen der sehr guten Wärmedämmung - daß dieser Effekt vernachlässigt werden kann. Berichte, wonach Gebäude mit hoher Wärmespeicherfähigkeit und schlechter Dämmung weniger Energie verbrauchen als gut gedämmte Gebäude mit geringer Speicherfähigkeit, entbehren der wissenschaftlichen Grundlage. Wichtiger sind die Einflußgrößen : ü Undichtigkeiten ü Wärmebrücken ü falsche Heiztechnik ü zuviel Strom als Hilfsenergie 9.4.3 Einige positive und negative Effekte der Wärmespeicherfähigkeit (Wärmekapazität) bezüglich des Energieverbrauchs: ü Mit hoher Wärmespeicherkapazität kann kostenlose Sonnenwärme oder interne Wärme für die Abend- und Nachtstunden gespeichert werden. ü Wenn jedoch aufgrund des geringen Wärmebedarfs dann nur wenig Wärme benötigt wird und interne Wärmequellen auch zu den Abend- und Nachtzeiten relativ stark ins Gewicht fallen, so relativiert sich dies. ü Bezüglich passiver Sonnenenergienutzung sind direkt von der Sonne beschienene Speicherflächen am effektivsten. Weniger effektiv sind Flächen, die nur indirekt nach einer Reflexion beschienen werden. Speichermassen, welchen nur über Erwärmung der Raumlufttemperatur Wärme zugeführt wird, bringen nur einen relativ geringen Speichereffekt. ü Eine höhere thermische Trägheit des Gebäudes führt dazu, daß Nachttemperaturabsenkungen der Heizungsanlage beziehungsEnergiesparendes Bauen im Handwerk 33 GRUNDLAGEN weise Nachtabschaltungen weniger effektiv sind als in leichten Bauten. Insofern kann man zumindest der Größenordnung nach festhalten, daß sich diesbezüglich die Vor- und Nachteile einer höheren Wärmekapazität bei normal genutzten Wohnräumen wieder aufheben. ü Bei gelegentlich genutzten Räumen, wie z.B. Hobbyräumen, ist eine geringe Wärmekapazität sogar von Vorteil, weil sich solche Räume dann schnell und mit wenig Energie aufheizen lassen. Hier wäre eine höhere Wärmekapazität sogar nachteilig. Auch können solche einzelnen Räume völlig wärmebrückenfrei ausgeführt werden, wenn sie auf allen sechs Seiten gedämmt werden. 10. Feuchtigkeitsschutz 10.1 Wasser und Luftfeuchtigkeit Wasser kennt man flüssig, fest (Eis) und gasförmig (Dampf). In welchem Zustand das Wasser vorliegt, hängt von seiner Temperatur ab. Luft enthält immer Wasser in Form von Dampf. Die Menge, die sie aufnehmen kann, ist abhängig von der Temperatur. Steigt die Temperatur, steigt die Aufnahmefähigkeit. Die Wasserdampfmenge, die die Luft maximal aufnehmen kann, bezeichnet man als maximale Luftfeuchtigkeit oder Sättigungsmenge. Lufttemperatur °C Sättigungsmenge g/m³ -20 0,90 -10 2,14 0 4,80 10 9,40 20 17,30 30 30,30 Normalerweise enthält die Luft nur einen Teil der Wassermenge, die sie maximal aufnehmen kann. Die relative Luftfeuchtigkeit gibt an, wieviel Prozent der maximalen Luftfeuchtigkeit in der Luft enthalten sind. Relative Luftfeuchtigkeit ( r.F. oder r.H: ) ϕ 1 wird also in % angegeben, dabei ist der Wert 100% der Sättigungspunkt. Die Taupunkt- oder Sättigungstemperatur, kurz Taupunkt, wird mit 1 34 ϕ = kleines Phi Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN ϑ s1 bezeichnet. Dazu ein Beispiel: Beträgt in einem Raum die Lufttemperatur 20°C und die relative Luftfeuchte 70 %, so liegt die Taupunkttemperatur der Luft bei 14,4 °C. Dies bedeutet, daß sich an Bauteilen, die kälter als 14,4 °C sind, Tau- oder Schwitzwasser niederschlägt. 10.1.1 Taupunkttemperatur Überschreitet die relative Luftfeuchtigkeit 100 %, fällt die Feuchte, die die Luft nicht mehr "halten" kann, als flüssiges Wasser, sogenanntes Tauwasser, aus. Die Temperatur, bei der dies geschieht, ist die Taupunkttemperatur. Ein m³ 20°C warme Luft mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100 % enthält 17,3 g Wasser. Kühlt man dieses Volumen um 10 K ab, so fallen 7,9 g Tauwasser aus. Die nun + 10°C warme Luft enthält nur noch 9,4g Wasser. Die relative Luftfeuchtigkeit bleibt jedoch 100 %. Diese Fakten treten beim Baden oder Duschen Deutlich vor Augen, wenn die Fliesen und Spiegel stark beschlagen. Wohnräume sind nicht völlig dicht. Ein Teil der Feuchtigkeit entweicht durch undichte Stellen, Fenster, Türen und Entlüftungen. Ein weiterer Teil wird durch Baustoffe, wenn sie Wasserdampfdurchlässig sind, abgeleitet. Taupunkttemperatur der Luft in Abhängigkeit von Temperatur und relativer Feuchte der Luft Lufttemperatur ϑ L (°C) 10.2 1 Relative Luftfeuchte ϕ Taupunkttemperatur °C 40 % 50% 60% 70% 30 14,9 18,4 21,4 23,9 25 10,5 13,9 16,7 19,1 20 6,0 9,3 12,0 14,4 15 1,5 4,7 7,3 9,6 10 - 2,6 0,1 2,6 4,8 Wasserdampfdiffusion ϑ ΣΣ sprich: Theta-S Energiesparendes Bauen im Handwerk 35 GRUNDLAGEN Das Wandern des Wasserdampfes durch ein Bauteil wird als Wasserdampfdiffusion bezeichnet. Die Wasserdampfdiffusion findet im mer dann statt, wenn auf beiden Seiten eines Bauteils unterschiedliche Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten herrschen. Vereinfacht kann man sagen: Wasserdampf diffundiert durch poröse Stoffe von der warmen zur kalten Seite. Die Menge des durchwanderten Wasserdampfes hängt von der Größe der kleinen Hohlräume im Bauteil ab. Diese Eigenschaft wird als Wasserdampfdiffusionswiderstand bezeichnet. 10.3 Wasserdampfdiffusionswiderstand Der Wasserdampfdiffusionswiderstand wird mit dem griechischen Buchstaben µ (mü) bezeichnet. Er gibt an, wieviel mal größer der Widerstand ist, den ein Stoff der Wasserdampfdiffusion entgegensetzt als eine gleich dicke Luftschicht. So hat Stahlbeton den : µ-Wert von 120, da er dem Wasserdampf 120 mal mehr Widerstand entgegensetzt. µ -Werte von Baustoffen liegen zwischen 1 und unendlich. Bei dampfdurchlässigen Baustoffen nimmt der Wasserdampfdiffusionswiderstand mit der Dicke einer Baustoffschicht zu. Verdoppelt man z.B. die Dicke einer Baustoffschicht, so verdoppelt sich auch der Wasserdampfdiffusionswiderstand. Für ein Bauteil mit mehreren Schichten muß daher der Wasserdampfdiffusionswiderstand berechnet werden. Hierzu multipliziert man ihre Schichtdicke s in Meter mit dem µ Wert ihres Baustoffes. Das Ergebnis bezeichnet man als Luftschichtdicke) sd.-Wert (diffusionsäquivalente sd = s1 ⋅ µ1 + s2 ⋅ µ 2 + s3 ⋅ µ3 + s x ⋅ µ x 36 Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN 10.4 Tauwasserbildung im Inneren von Bauteilen In der DIN 4108 sind die Werte für die Wasserdampf-DiffusionsWiderstandzahlen der Baustoffe enthalten. Für einige Baustoffe sind obere und untere Grenzwerte angegeben. Für Tauwasserberechnungen ist dann jeweils der für die Baukonstruktion ungünstigere Wert einzusetzen, d. h. der kleinere Wert für die inneren, der größere für die äußeren Bauteilschichten. Die Diffusionseigenschaft einer Stoffschicht mit bestimmter Dicke ird mit der diffusionsäquivalenten Luftschicht sd in Meter angegeben. Materialien mit einem Wert sd > 1500 m gelten nach DIN (52615) als "praktisch dampfdicht". Wände mit geringer Wasserdampfdurchlässigkeit haben Werte von sd > 15 m, hohe Wasserdampfdiffusion ist bei sd < 3 m gegeben. Als Faustregel für eine einwandfreie Ausbildung in wärmeschutz- wie auch in diffusionstechnischer Hinsicht kann gelten: 1. Der Wärmeschutz der einzelnen Bauteilschichten - beschrieben durch ihren Wärmedurchlaßwiderstand - soll von innen nach außen zunehmen. 2. Der Diffusionswiderstand der einzelnen Bauteilschichten - beschrieben durch die diffusionsäquivalente Luftschicht sd soll von innen nach außen abnehmen. 10.5 Grenzflächentemperaturdreieck Auf der waagerechten Achse wird, links beginnend, die Temperaturskala von der Außentemperatur im Winter bis zur Innentemperatur abgetragen. Auf die senkrechte Achse werden, unten beginnend, die Wärmedurchlaßwiderstände d / λ und die Wärmedurchlaßwiderstände 1 /α" abgetragen. Eine Gerade, beginnend bei der Innenraumtemperatur durch alle Schichten hindurch bis zur Außentemperatur, zeigt den Temperaturverlauf. Liegt der Taupunkt ϑ s oberhalb der Dampfsperre, ist der Dachaufbau in Ordnung. Energiesparendes Bauen im Handwerk 37 GRUNDLAGEN 10.6 Schimmelbildung in Wohnungen Bei der früheren Bauweise war im Raum die einfache Verglasung häufig die kälteste Fläche. Dort schied die entlang strömende Raumluft, infolge der Abkühlung, das Tauwasser ab. Es wurde auf einfache und zuverlässige Weise über die Schwitzwasserrinne und das Schwitzwasserröhrchen nach außen abgeleitet. Durch die Isolierverglasung sind die Fenster nicht mehr die kälteste Fläche des Raumes. Durch Putz und Tapete sind konstruktive und geometrische Wärmebrücken zunächst nicht erkennbar. Durch solche Wärmebrücken erfolgt eine rasche Wärmeableitung mit der Folge, daß die raumseitige Temperatur des Bauteils absinkt. Der Innenputz auf Wänden ist in der Lage, eine gewisse Menge Feuchtigkeit aus der Luft aufzunehmen und bei Bedarf wieder an die Raumluft abzugeben. Wird die Feuchtigkeitsmenge jedoch zu groß, wird der Grundlagen 13: Der Schimmelpilzkreislauf, Quelle: IVH Putz dauerhaft durchfeuchtet und es bildet sich ein hervorragender Nährboden für Schimmel. Diese Situation, die schon durch eine zu gering geplante Dämmung verursacht sein kann, wird noch verstärkt durch tagsüber geringes Heizen im Schlafzimmer, durch die Nachtabsenkung der Heizung, durch Gießwasser von Pflanzen, durch Erhöhung der Luftfeuchtigkeit, z.B. durch Kochen, Waschen, Duschen, sowie durch falsche Lüftungsgewohnheiten. 10.7 Was passiert am Taupunkt? Ein paar Beispiele: ü Durch Wärmeabstahlung in der Nacht können Oberflächen kälter werden als die Luft. Wenn dabei der Taupunkt unterschritten wird, schlägt sich die Feuchtigkeit auf ihnen nieder. Besonders deutlich sieht man das nach kühlen Nächten auf Autos, Dächern und Fensterscheiben. Und wenn es kalt genug ist, dann gibt es Reif. ü Wenn man ein sehr kühles Getränk einschenkt, beschlägt oft das Glas. Auch das zeigt an, daß der Taupunkt unterschritten wurde. ü Jeden Brillenträger stört immer wieder mal, daß seine Augengläser plötzlich beschlagen, wenn er aus der Kälte in einen warmen Raum kommt. Der Taupunkt wird dabei um so eher unterschrit- 38 Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN ten, je kälter die Brille und je feuchter die Raumluft ist. ü Luft über einer Wasser- und Moorfläche ist bei Windstille fast völlig "gesättigt". Kühlt es abends auch nur gering ab, so wird der Taupunkt unterschritten. Winzige Wassertröpfchen fallen aus. Das Ergebnis: Nebelschwaden. Tauwasser in Wohnungen entsteht immer dann, wenn die Luft im Raum zu feucht oder die Wand zu kalt ist. Dagegen kann man aber etwas tun: Mehr lüften - richtig heizen - besser wärmedämmen. An Wandflächen, die lange Zeit feucht sind, kann sich Schimmel einnisten, wenn er dort auch noch Nahrung findet. Ein guter Nährboden für Schimmelpilz sind Papiertapeten, Leimfarben und andere organische Anstriche. Er begnügt sich aber auch mit Staub, nur schön feucht will er’s. In Neubauten ist die Schimmel-Gefahr groß - einfach deshalb, weil im Mauerwerk und Beton fast immer noch Baufeuchtigkeit steckt, die zur Wohnfeuchtigkeit hinzukommt. Deshalb hat man früher in neuen Häusern erst einmal einen Kalkanstrich gemacht und erst wenn alles "trockengewohnt" war, wurde tapeziert. Wer in einem Neubau gleich tapezieren will, der muß die Wohnung besonders gut warmhalten und viel mehr lüften, auch wenn man dabei gutes Geld zum Fenster hinaus heizt. Schimmelpilze an der Wand sollten unbedingt vermieden werden, denn sie sind gesundheitsschädlich. Ihre Sporen werden in der Luft verwirbelt und gelangen durch Einatmen in die tieferen Atemwege, wodurch Allergien und Erkrankungen verursacht werden können. Auch Lebensmittel verderben schneller und können sogar giftig werden. 10.8 Ist unser Wohnverhalten richtig ? Obgleich uns unsere "vier Wände" sehr vertraut erscheinen, ist es doch zweckmäßig, über das Thema hin und wieder nachzudenken. Wärme und Feuchtigkeit wirken von innen und außen auf die Wohnung ein: ü von außen: Sonne, Regen, Lufttemperatur und Luftfeuchte ü von innen: Heizen, Kochen, Duschen oder Baden, Lüften. Und nicht zu vergessen: Wärme und Feuchtigkeit, die der Mensch und die Zimmerpflanzen abgeben, und dies ist mehr als man meinen möchte. Energiesparendes Bauen im Handwerk 39 GRUNDLAGEN 10.8.1 Feuchtigkeitsabgabe (Verdunstung) in Wohnungen bei ϑli 20°C. g/h Mensch, leicht aktiv 30 - 40 trocknende Wäsche 4,5 kg Trommel geschleudert 50 -.200 tropfnaß 100 – 500 Zimmerblumen z.B.: Veilchen 5 – 10 Topfpflanzen z.B.: Farn 7 – 15 z.B. : mittelgroßer Gummibaum 10 – 20 Freie che Wasseroberflä- z.B.: Aquarium 40 g/m² 10.8.2 Dazu ein Beispiel: Feuchteproduktion in einem mittelgroßen Wohnzimmer: 5 Topfpflanzen 5 x 10g/h 50 g/h 1 Gummibaum 20 g/h 1 Aquarium 10 g/h Summe 80 g/h 24 Std. pro Tag = 1920 g/d Das sind fast 2 Liter Wasser pro Tag. Nun kommt noch der Mensch dazu mit einer Feuchteproduktion von durchschnittlich 40g/h. Bei 8 Stunden Aufenthaltszeit sind das pro Mensch 320 g. Dies sind bei drei Menschen in 8 Stunden zusätzlich fast 1 Liter. Die Feuchteemission beim Kochen und Baden und Duschen kommt ebenfalls hinzu. Es können bis zu 12 Liter Wasser pro Tag in der Wohnung entstehen. 40 Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN 10.9 Lüften – ( Stoß- oder Spaltlüften? ) Es werden üblicherweise zwei Methoden angewandt, um frische Luft hereinzulassen. Die erste: Man reißt alle Fenster und Türen sperrangelweit auf und erzielt so in kürzester Zeit einen völligen Austausch zwischen Raumluft und Außenluft. Der Fachmann nennt dies eine Stoßlüftung. Die zweite: Man will einen langsamen Luftaustausch und öffnet daher das Fenster nur einen Spalt, diese Methode heißt daher Spaltlüftung. Heute erfolgt dies meist über die Kippstellung der Fenster. Häufig sorgen alte, verzogene und nicht dicht schließende Fensterrahmen für eine ständige Spaltlüftung. Was wir aber anstreben sollten, ist eine gezielte Bedarfslüftung. Dabei ist jedoch aus Gesundheitsgründen eine absolute Dichtheit der Fenster auch nicht anzustreben. Wer richtig lüften will, muß sich erst einmal darüber klar sein, warum er es überhaupt tut. Eigentlich gibt‘s nur zwei Gründe: 1. Verbrauchte oder mit Schadstoffen belastete Raumluft soll gegen Frischluft ausgetauscht werden. 2. Die Wohnfeuchte soll nach draußen geführt werden. Für den Luftaustausch genügt ein kurzes Stoßlüften - am besten sorgt man sogar für Durchzug. Bleibt jedoch die Quelle der Luftbelastung bestehen, muß länger gelüftet werden. Zur Feuchteabführung reicht das kurze Stoßlüften grundsätzlich nicht. Die Stoßlüftung muß mehrmals wiederholt werden. Der Grund: Wenn in einem Raum Feuchtigkeit entsteht (egal ob durch Pflanzen, Menschen oder bestimmte Tätigkeiten), dann schlägt sich diese schließlich an Oberflächen nieder und dringt in den Baustoff ein. Das geht nur langsam vor sich und ebenso langsam wird die Luftfeuchtigkeit von den Oberflächen wieder abgeben. Bei kurzem Stoßlüften würde also jedesmal eine relativ große Restfeuchtigkeit zurückbleiben und so könnten allmählich feuchte Stellen mit Schimmelbildung entstehen. Andererseits bringt eine stundenlange Lüftung es auch nicht, denn sie bewirkt, daß die Zimmerwände stark auskühlen. Die Frischluft erwärmt sich dann nur wenig bzw. sehr langsam, sie kann kaum zusätzliche Mengen Wasser aufnehmen und so wird die Feuchteabführung verzögert. Energiesparendes Bauen im Handwerk 41 GRUNDLAGEN Wenn möglich, sollte man bereits lüften während besonders viel Feuchtigkeit entsteht (Kochen, Baden usw.). Sehr wichtig: Die hereinströmende Außenluft muß erwärmt werden. Dadurch sinkt ihre relative Luftfeuchtigkeit und sie kann, wie ein unsichtbarer Schwamm, Wohnfeuchte aus dem Raum aufnehmen. 10.10 So hält man seine vier Wände trocken ü Jeder Raum soll seiner Nutzung entsprechend beheizt werden. Wird ein Raum nicht ständig benutzt und geheizt, sondern nur zeitweise, dann sollten Sie folgendes bedenken: Während des Aufheizens erwärmen sich die Wandflächen langsam und deshalb kann sich dort Tauwasser bilden. Man muß dann vorübergehend stärker lüften als in einem ständig beheizten Raum. ü In Wohnräumen ist die Gefahr von Feuchtigkeitsschäden am geringsten. Der Grund: Erstens werden sie meist gut warm gehalten und zweitens entsteht dort nicht so viel Feuchte wie etwa in der Küche oder im Schlafzimmer. Vergessen Sie aber keinesfalls die Verdunstung der Zimmerpflanzen. ü Die für die Heizenergieeinsparung sehr wirksame "Nachtabsenkung" ist sinnvoll, wenn sie mit der Wohnungslüftung richtig abgestimmt ist. Nur ausreichend "trockene Luft" verträgt eine Temperaturabsenkung ohne ins "Schwitzen" zu kommen. ü Art und Anordnung der Heizkörper, aber auch die Möblierung haben Einfluß auf die Luftumwälzung und damit auf die Erwärmung der Wände. Deshalb kann in Außenecken oder -wänden, die durch einen Schrank zugestellt sind, leicht Schimmel auftreten. Oft läßt sich der Schaden durch Abrücken des Schrankes (von der Ecke oder Wand weg) vermeiden. ü Die Feuchtigkeit im Schlafzimmer wird meist unterschätzt. Wer nicht bei offenem Fenster schläft, der muß also tagsüber länger lüften. Was Sie nicht tun sollten: Ein unbeheiztes Schlafzimmer vor dem Zubettgehen dadurch ein bißchen zu temperieren, indem man die Tür zum beheizten Raum eine Weile offen läßt. Dies ist ein Fehler mit Folgen, denn die warme Luft, die dort einströmt, kann zwar relativ trocken sein, absolut aber trotzdem feuchter als die im ungeheizten Schlafzimmer. Man darf sich also nicht wundern, da? sich an den kalten Wandoberflächen Tauwasser niederschlägt. ü Raucher bringen zusätzliche Probleme. Es muß öfters stoßgelüftet werden unter Inkaufnahme der Heizenergieverluste. Besonders sind dabei die Gesundheitserfordernisse von Säuglin- 42 Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN gen, Kleinkindern, Allergikern und Nichtrauchern zu berücksichtigen. ü Man sollte aber auch daran denken, sich durch die Abführung feuchter, verbrauchter Raumluft nicht mit Schadstoffen stark belastete Außenluft einzuhandeln. So sollte man möglichst an stark befahrenen Straßen während der verkehrsruhigen Zeit lüften. Was aber, wenn Sie alle Hinweise genau beachten - und dennoch kommt es zur Feuchtigkeitsbildung? Dann dürften Baumängel die Ursache sein ( z.B. zu geringe Wärmedämmung, undichtes Dach oder ein schadhafter Außenputz). Da nützt dann noch so viel Heizen und Lüften nichts mehr. Da muß ein Fachmann ran! 11. Wärmeschutzverordnung Deutschland 11.1 Begrenzung des Jahres-Heizwärmebedarfes Diese Anforderungen werden auf das beheizte Bauwerksvolumen V oder eine speziell zu bestimmende Gebäudenutzfläche AN bezogen. Es werden maximale Werte für den Heizwärmebedarf vorgeschrieben. Q'H in kWh/(m3 a)( V ) 2 Q" H in kWh/(m a) ( AN ) Der Jahres-Heizwärmebedaf QH des Gebäudes wird durch eine Bilanzierung von: ü Transmissionswärmebedaf QT ü Lüftungswärmebedarf QL ü solare Wärmegewinne QS ü interne Wärmegewinne QI nach folgender Gleichung ermittelt: QH = 0,9 (QT + QL) - (QI + QSol) QH in kWh/a 0,9 = Teilbeheizungsfaktor Energiesparendes Bauen im Handwerk Grundlagen 14: Wärmeströme in der Bilanzierung nach WSchV, Quelle: IVH 43 GRUNDLAGEN Berechnung der wärmeübertragenden Umfassungsfläche A eines Gebäudes A = AW + AF + AD + AG + AOL Dabei bedeuten AW die Fläche der an die Außenluft grenzenden Wände, im ausgebauten Dachgeschoß auch die Fläche der Abseitenwände zum nicht wärmegedämmten Dachraum. Achtung: In die Summe der Außenwände gehen auch die nicht transparenten Wandteile ein, die einen unbeheizten Glasvorbau vom beheizten Kernhaus abtrennen. Es gelten die Gebäudeaußenmaße. AF die Fläche der Fenster, Fenstertüren, Türen und Dachfenster, soweit sie zu beheizende Räume nach außen hin abgrenzen. Sie wird aus den lichten Rohbaumaßen ermittelt. Erläuterung: Da sich der k-Wert der Fenster kF und Fenstertüren aus der Verglasung kV und der verwendeten Rahmenmaterialgruppe zusammensetzt, stellt kF die maßgebliche Größe des zusammengesetzten Bauteils Fenster dar. Die Ermittlung von kF erfolgt nach Tabelle 3, DIN 4108 T 4. AD die nach außen abgrenzende wärmegedämmte Dach- oder Dachfensterfläche. AG die Grundfläche des Gebäudes, soweit sie nicht an die Außenluft grenzt. Gerechnet wird die Bodenfläche auf dem Erdreich oder bei unbeheizten Kellern die Kellerdecke. Werden Keller beheizt, sind in der Gebäudegrundfläche AG neben der Kellergrundfläche auch die erdberührenden Wandflächenanteile zu berücksichtigen. AOL die Deckenfläche, die das Gebäude nach unten gegen die Außenluft abgrenzt. Bei der Berechnung der Flächen der Außenbauteile sind die abgrenzenden Flächen von Bauteilen gegen Zonen mit wesentlich niedrigeren Innentemperaturen AAB zu berücksichtigen. 44 Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN 11.2 A/V-Werte Das Verhältnis der wärmeübertragenden Flächen zum Volumen des Gebäudes in m -1 wird ermittelt, indem die errechnete wärmeübertragende Umfassungsfläche A eines Gebäudes durch das errechnete Bauwerksvolumen geteilt wird. Bestimmung der Bezugsgrößen VL und AN Das anrechenbare Luftvolumen VL wird benö- Grundlagen 15: A/V-Werte der versch. WSchVO tigt, um die Lüftungswärmeverluste zu ermitteln. Es ist daher erforderlich, das beheizte Bauwerksvolumen um den Betrag zu reduzieren, der kein beheiztes Volumen darstellt (Innenwände, Geschoßdecken, Außenwände und Geschoßdecken gegen Außenluft). Das Luftvolumen wird ermittelt, indem das Bauwerksvolumen mit dem Faktor 0,8 multipliziert wird. Dieser Reduktionsfaktor stellt einen über alle Gebäudetypen gemittelten Wert dar. VL = 0,8 x V [m 3] Die Gebäudenutzfläche AN wird für Gebäude, deren lichte Raumhöhe 2,60 m beträgt, mit AN = 0,32 x V [m 2] ermittelt 11.3 Verbrauchsorientierte Kennwerte Der Wärmebedarf darf einen vorgegebenen Wert nicht überschreiten. Mit dem Energiegehalt von ca. 10 kWh je Liter HEL1, bzw je m3 Erdgas kann der Höchstwert sehr einfach abgeschätzt werden. Der maximal zulässige Jahresheizwärmebedaf, je nach Gebäudegeometrie ( A/V Verhältnis ), von 54 bis 100 kWh/m2 definierter Nutzfläche, entspräche damit einem Energiegehalt von ca. 5,4 bis 10 Liter HEL bzw. m 3 Erdgas./ m² und Jahr. 1 Heizöl EL Energiesparendes Bauen im Handwerk 45 GRUNDLAGEN 11.4 Temperaturbereiche und Nachweisverfahren Es wird zwischen drei Temperaturbereichen unterschieden: 1. Normale Innentemperaturen (ab 190 C) Der Nachweis ist über das Energiebilanzverfahren zu führen. 2. niedrige Innentemperaturen (über 12 0 C und unter 19 0 C, jährlich mehr als 4 Monate beheizt) Nachweis über den Jahres-Transmissionswärmebedarf 3. Innentemperaturen unter 120 C. Ein Nachweis über den baulichen Wärmeschutz ist nicht erforderlich. Gebäude mit normalen Innentemperaturen sind Wohnhäuser und vergleichbare Bauten wie Schulen, Krankenhäuser oder Geschäftshäuser. Auch Wirtschaftsbauten fallen in diesen Bereich, insbesondere Büround Verwaltungsgebäude oder Produktionsgebäude mit überwiegend sitzender Tätigkeit. Gebäude mit niedrigen Innentemperaturen sind zum Großteil Betriebsgebäude. Achtung! Arbeitsstättenrichtlinien beachten ! In der WSchV ’95 sind nur noch Jahresheizwärmebedarfswerte von 54 bis 100 kWh/(m2a) statt bisher bis zu 180 kWh Heizenergie je m2 Nutzfläche und Jahr erlaubt. Mit dem zulässigen Heizwärmebedarf von 54 bis 100 kWh/(m2a) wird das Niedrigenergiehaus (NEH) verbindlich eingeführt. 11.5 Das Energiebilanzverfahren Neben den Wärmeverlusten durch Transmission und Lüftung werden zur Ermittlung des Heizwärmebedafs auch die internen Wärmegewinne wie Abwärme von Haushaltsgeräten und eingestrahlte Solarenergie berücksichtigt. Der einzuhaltende Heizwärmebedarf nach dem Energiebilanzverfahren ist ein "Normwärmebedarf", vergleichbar mit dem normierten Benzinverbrauch eines Autos. Je nach dem Nutzverhalten können damit theoretischer Bedarf und tatsächlicher Verbrauch erheblich voneinander abweichen. Für kleine Wohngebäude mit bis zu zwei Vollgeschossen und nicht mehr als drei Wohneinheiten kann alternativ zu dem Energiebilanzverfahren ein Bauteilverfahren verwendet werden. 46 Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN Die Anforderungen gelten als erfüllt, wenn die folgenden Wärmedurchgangskoeffizienten ( k-Werte ) nicht überschritten werden: Bauteil Maximaler k-Wert Außenwände Kw < 0,50 W/m²K Außenfenster, auch Fenstertüren und Dachfenster KmF < 0,70 W/m²K Decken unter nicht ausgebauten Dachräumen und Decken, die Räume nach oben und unten gegen die Außenluft abgrenzen kOL < 0,22 W/m²K Kellerdecken, Wände und Decken gegen unbeheizte Räume, sowie Decken und Wände die an das Erdreich grenzen kG < 0,35 W/m²K 11.6 Wärmebedarfsausweis In Zukunft wird jedes neue Gebäude einen sogenannten "Wärmepaß" bekommen. In dem Wärmebedarfsausweis werden die wesentlichen Ergebnisse der rechnerischen Nachweise zusammengestellt. Er ist auf Verlangen der zuständigen Stelle ( Baubehörde ) vorzulegen. 11.7 Umsetzung der Forderung der Wärmeschutzverordnung und der Allgemeinen Verwaltungsvorschrift Wärmebedarfsausweis in die Praxis n diesem Zusammenhang sind zwei technische Aspekte bei der "Ausbildung" von Anschlußpunkten und Details zu beachten: 1. die Forderung: Wärmebrücken in ihren Auswirkungen zu minimieren die Lösung: Aufstellen und Umsetzen eines Wärmedämmkonzeptes 2. die Forderung: Luftundichtigkeit in der Gebäudehüllfläche zu minimieren die Lösung: Aufstellen und Umsetzen eines Luftdichtheitskonzeptes 11.8 Gebäude-Bestand Das größte Einsparpotential besteht im Gebäude-Bestand. Allerdings gibt es eine Reihe von Hemmnissen bezüglich der Erschließung dieses Potentials: Energiesparendes Bauen im Handwerk 47 GRUNDLAGEN ü relativ hohe erforderliche Investitionen ü lange Kapitalrückflußzeiten ü Vermieter-Mieter-Problematik. Die Investitionen in energiesparende Maßnahmen können nur in sehr begrenztem Maße auf die Kaltmiete umgelegt werden. Die WschV ’95 macht daher erstmals auch Vorgaben für die Sanierung des Gebäudebestandes. Bei erstmaligem Einbau, Ersatz oder Erneuerung von Au ßenbauteilen bestehender Gebäude sind folgende Werte einzuhalten: Neubau Altbau kw < 0,5 W/m²K kw < 0,50 W/m²K km,F < 0,7 W/m²K kF < 1,80 W/m²K ( nicht kD < 0,22 W/m²K kD < 0,22 W/m²K kG < 0,35 W/m²K kG < 0,5o W/m²K der äquivalente k Wert ) Der Jahres-Heizwärmebedarf QH QH = 0,9 (QT + QL ) - (QI + QS) . . . . . . . . QT = 84 . (kW x AW + kF x AF + 0,8 x kD x AD + 0,5 x kG x AG + 0,5 x kAB x AAB ) 0,84 = Faktor zur Berücksichtigung der Heizzeit und des Temperaturunterschiedes; k-Wert-Ermittlung: wie bisher nach DIN 4108 QL = 18,278 x V QI = 8 x. V für Büro- und Verwaltungsgebäude QL = 10 x. V QS = 0,46 x l x. g x AF l = solares Strahlungsangebot Süd lS West/Ost Iw/o = Nord IN = 400 275 kWh/m2 kWh/m2 = 160 kWh/m2 g = Gesamtenergiedurchlaßgrad der Verglasung nach Bundeanzeiger (z.B. 0,72) AF = Fensterfläche 48 Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN 12. K55 Verordnung – Belgien in Sachen Wärmedämmung und Lüftung der Gebäude Ministererlaß der Wallonischen Region vom 15.2.96 Gültig seit 1.1.97 12.1 Niveau des höchsten Energiebedarfs be max Für Neubau von Wohnhäuser be max = 450 MJ/m²a = 125 kWh/m²a Grundlagen 16: Niveau des höchsten Energiebedarfs be max Energiesparendes Bauen im Handwerk 49 GRUNDLAGEN 12.2 Berechnung des Niveaus der globalen Wärmedämmung des Gebäudes (NBN B62-301) “Hüllflächenverfahren”K55 Hüllflächenverfahren mit Beispiel Grundlagen 17: Maximale k-Zahlen für einzelne Komponenten 50 Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN 12.3 Maximaler mittlerer k-Wert in Abhängigkeit des Volumens zu Umschließungsflächen Grundlagen 18: Maximaler mittlerer k-Wert in Abhängigkeit des Volumens zu Umschließungsflächen Energiesparendes Bauen im Handwerk 51 GRUNDLAGEN 12.4 Maximaler mittlerer k-Wert in Anhängigkeit des Volumens zu Umschließungsflächen Grundlagen 19: Maximaler mittlerer k-Wert 12.5 52 Belüftung Energiesparendes Bauen im Handwerk GRUNDLAGEN Energiesparendes Bauen im Handwerk 53 GRUNDLAGEN 54 Energiesparendes Bauen im Handwerk
