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Nachstehender Text stellt eine Mitteilung zum Thema "Aktuelles aus dem Regelwerk" dar. Es handelt sich um einen Fachbeitrag aus gff - Zeitschrift für GLAS-FENSTER-FASSADE - von Dipl.-Ing. Marcus Hermes.
Die neue wärmedämmtechnische Bewertung von Fenstern mit Einführung der EnEV 2002

Teil 1: Grundlagen

Die heutigen Energiesparmaßnahmen im Gebäudebereich, ausgelöst durch die erste Ölkrise 1973 münden nach insgesamt 3 Wärmeschatzverordnungen Anfang 2002 in der neuen EnergieEinsparVerordnung, kurz EnEV 2002 [1]. Diese nun doch zügige Einführung der neuen Verordnung wird nicht nur durch die bereits erfolgten Zustimmungen von Bundeskabinett, Bundesrat und aus Brüssel ermöglicht, sondern auch durch die erfolgte Neueinführung Europäisch harmonisierter Grundlagennormen. Diese bilden zukünftig die neue technisch wissenschaftliche Grundlage der EnEV. Auch in Bezug auf die Bestimmung der Wärmedämmung von Fenstern sind in diesem Zusammenhang zukünftig neue Regeln zu beachten. Diese sind in der neuen FensterGrundlagennorm DIN EN ISO 10077-1, Ausgabe November 2000 dargestellt. Nach einem kurzen Hinweis über die bisherigen Festlegungen, werden im Folgenden einige der Kerninhalte der neuen Bewertungsmethode erläutert. Anschließend wird der Einfluss verschiedener Dämmniveaus von Fenstern bei unterschiedlichen Fensterflächenanteilen im Gebäude auf die Energiebilanz untersucht und eine Definition für Niedrigenergiehaus-Fenster entwickelt.
Diesen Vortrag hielt Dipl.-lng. Marcus Hermes anlässlich einer Sanco-Tagung zur Problematik der WarmenKante beim Isolierglas Ende Oktober in Amberg. Die fast 40 Teilnehmer konnten in diesem Zusammenhang auch die Fertigung von Isolierglas mit dem Thermix-Warme-Edge-Profil auf einem neuen Rjakan-Bieger bei der Amberger-lsolierglas besichtigen. Das Thermix-Profil lässt sich auf dieser Anlage ohne Werkzeugumrüstung, nur durch Zuschalten eines Heizaggregates in der laufenden Produktion verarbeiten. Uber diese Tagung wird ausführlich berichtet werden. d. Red. der gff

Bisherige Bewertungsgrundlage

Für die Bestimmung der Wärmedämmung von Fenstern stehen bislang baurechtlich gesehen 2 Verfahren zur Verfügung. Zum einen die Ermittlung des Wärmedurchgangskoeffizienten (kurz U-Wert) durch Messung auf einem Prüfstand nach DIN 52619 oder die Ermittlung des U-Wertes mit Hilfe des Tabellenverfahrens nach DIN 4108-4. Bei diesem häufig verwendeten Verfahren werden die Konstruktionen in Rahmenmaterial-Gruppen eingeteilt und mit Kenntnis der Dämmwerte der Verglasung der Fensterwert direkt abgelesen. Dabei wurde bisher suggeriert, dass ein Fenster thermisch gesehen nur aus Rahmen und Verglasung besteht.

Diese mehr als 2 Jahrzehnte alte und bislang hinreichend genaue Verfahrensweise der groben Einteilung und Bewertung mit Zuschlagswerten ermöglicht jedoch keine genaue Ermittlung der Dämmwerte moderner Fensterkonstruktionen. Insbesondere wenn es um Konstruktionen mit komplizierter Profilgeometrie oder Verbundwerkstoffen geht.

Aus diesem Grund werden genau diese Festlegungen mit In-Kraft-Treten der neuen EnEV ungültig. Das neue Maß zur Bestimmung der Wärmedurchgangskoeffizienten für Fenster wird die bereits erwähnte DIN EN ISO 10077 [2], die als Europäische Norm den Status einer Nationalen Norm einnimmt und die bisherige DIN V 4108 Teil 4 im Bereich der Fenster vollständig ersetzt.

Bei den Prüfverfahren ersetzt die DIN EN ISO 12567, Ausgabe Februar 2001 die bisherige DIN 52619.

Zukünftiges Verfahren zur Bestimmung der Wärmedämmung von Fenstern

Mit den neuen Festlegungen wird erstmals eine genaue Berechnung der Fensterdämmwerte ermöglicht. Wichtigste Unterschiede zur bisherigen Festlegung sind:

Gemeint ist der Abstandhalterbereich in dem die Einzelscheiben miteinander verbunden sind. Das Abstandhalterprofil ist in der Regel ein Aluminiumprofil, zunehmend finden aber auch thermisch getrennte Profilsysteme Anwendung.

Die Wärmedämmung in diesem Glasrandbereich ist natürlich deutlich geringer als in der Mitte der Verglasung. Die geringere Dämmwirkung bewirkt einen deutlich höheren Verlust von Wärmeenergie. Dadurch ergeben sich in diesem Bereich deutlich niedrigere Oberflächentemperaturen auf der Raumseite. An kalten Wintertagen bilden sich genau dort Tauwasserränder, wie in Abb. 1 zu sehen ist.


Abb. 1: Tauwasserbildung im Bereich des Glasrandes

Dieser zusätzliche Wärmeverlust wird jetzt erstmalig in den neuen Berechnungsgrundlagen mit berücksichtigt. Dieser neue längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizient wird als Psi-Wert bezeichnet. Diese Bezeichnung ist im Allgemeinen bei Wärmebrücken üblich und wird mit dem griechischenBuchstaben "" abgekürzt.

Doch nicht nur über den sichtbaren Tauwasserniederschlag wird dieser Bereich erkennbar, sondern auch durch die folgenden Darstellungen der Verläufe von Temperatur (Abb. 2) und Wärmestromlinien (Abb. 3) als Ergebnis der zweidimensionalen Finite Elemente Berechnung von Fensterquerschnitten gemäß EN ISO 10077-2 [3].

Abb. 2: Temperaturverlauf durch ein Fenster-System. Deutlich zu erkennen, dass der Temperaturverlauf im Glasrandbereich die niedrigste Innentemperatur aufweist.

Abb. 3: Die Wärmestromlinien zeigen auf welchen Wegen die Wärmeenergie durch das Fensterprofil von innen nach außen entweicht. Deutlich die starke Rotfärbung im Bereich des Abstandhalters als Kennzeichen für starken Wärmeabfluss. Schön zu Erkennen, auch die Höhe der Verlustzone des Glasrandes, die sich mit den Erfahrungen aus der Tauwassererscheinung in Abb. 1 deckt.

Der Einfluss der -Werte auf die neuen Fenster-U-Werte

Das neue Berechnungsverfahren für Fenster-U-Werte Uw mit der Berücksichtigung des Glasrandes bewirkt, dass die neuen Werte mit den Werten früherer Verfahren absolut nicht vergleichbar sind. Die neuen Werte liegen dabei auf einem Niveau, das in der Regel 1 bis 3 Zehntel über den bisher bekannten U-Werten liegt.

Die -Werte sind dabei abhängig von der Wahl des Abstandhaltermaterials und der geometrischen Einbindung in das jeweilige Rahmensystem. Dabei spielt nicht nur die Glasfalztiefe, sondern auch das verwendete Rahmenmaterial inklusive Dichtungssystem eine Rolle.

Bei Aluminiumabstandhaltern liegen die -Werte in der Regel zwischen 0,070 W/(mK) und 0,080 W/(mK). Bei Verwendung thermisch getrennter Abstandhalter, wie zum Beispiel solche aus Kunststoff mit Edelstahleinlage ergeben sich -Werte um 0,040 W/(mK). Diese Halbierung des Gr050805.gif-Wertes bedeutet eine Halbierung der Wärmeverluste durch die Glasrandzone.

Dadurch werden die Oberflächentemperaturen in diesem kritischen Bereich deutlich erhöht und die thermischen Eigenschaften des Gesamtfensters positiv beeinflusst.

"3 Dinge braucht das Fenster"

Der U-Wert eines Fensters setzt sich wie nachstehend dargestellt zukünftig aus 3 Teilen zusammen, aus den Wärmedämmeigenschaften von

1. Rahmen, kurz Uf

2. Verglasung Ug

und

3. Glasrandzone

Die neuen Indizes werden grundsätzlich klein geschrieben und basieren auf den englischen Bezeichnungen "frame" für Rahmen und "glazing" für die Verglasung.

Die Bestimmung der einzelnen Werte der 3 Basisgrößen können dabei nach folgenden Normgrundlagen erfolgen:

Uf

DIN EN ISO 10077-2

DIN EN 12412-2

DIN EN ISO 10077-1

Finite Elemente Berechnung

Rahmen-Messung

Einfachverfahren

Ug

DIN EN 673

DIN EN 674

DIN EN 675

Berechnungsverfahren

Messung, Verfahren mit Plattengerät

Messung, Wärmestrommesser-Verfahren

= Psi

DIN EN ISO 10077-1

DIN EN ISO 10077-2

DIN EN 12412-2

Tabellenwerte

Finite Elemente Berechnung

Messung

Die 3 Einzelwerte von Rahmen, Verglasung und Glasrand werden bei der Berechnung der Gesamt-Fenster-Wärmedämmung Uw ("w" von window) mit ihren genauen Flächenanteilen (Formelzeichen "A") bewertet. Die daraus resultierenden Energieanteile werden addiert und auf die Gesamt-Fenster-Fläche bezogen.

Die Berechnungsformel lautet demnach:

Folgendes Zahlenbeispiel zeigt die einfache Berechnung des Fenster-U-Wertes Uw Eingangsdaten:

Bezeichnung

Wert

Einheit

Fenstergröße

Aw

1,82

m2

Rahmenfläche

Af

0,62

m2

Verglasungsfläche

Ag

1,20

m2

Glasrandlänge

Ig

4,41

m

U-Wert Rahmen

Uf

1,6

W/(m2 K)

U-Wert Verglasung

Ug

1,1

W/(m2 K)

Psi-Wert Glasrand

0,070

W/(m K)

Diese neue Grundlage zur Bestimmung der Wärmedämmung eines Fensters zeigt eine weitere Neuerung: Die U-Werte sind zukünftig eine größenabhängige Kenngröße. Denn mit sich ändernden Flächenanteilen der einzelnen Komponenten verändert sich auch der U-Wert des gesamten Fensters. Die Unterschiede zwischen kleinster Fenstergröße und großem Fensterelement können dann bei Verwendung des gleichen Rahmenaufbaus leicht bis zu 5 Zehntel betragen, wie Tabelle 1 zeigt.

Tabelle 1: Uw-Werte verschiedener Fenstergrößen bei sonst gleichem Aufbau.

b x h

Aw

Rahmenanteil

Uw

mm x mm

m2

%

W/(m2 K)

400 x 800

0,32

74,2

1,8

1300 x 1300

1,69

34,8

1,5

1230 x 1480

1,82

33,8

1,4

2750 x 2500

6,88

18,2

1,3
Eingangsdaten: Uf = 1,6 W/(m2K) Ug = 1,1 W/(m2K) Psi = 0,070 W/(mK)

Die Berechnung der einzelnen Fenster eines Bauvorhabens wird zukünftig fester Bestandteil der abschließenden wärmedämmtechnischen Beurteilung eines jeden Gebäudes darstellen. Durch den mittlerweile flächendeckenden Einsatz von EDV-Anlagen und der Anwendung einschlägiger Programme ist dies auch praktisch ohne Zusatzaufwand zu bewerkstelligen. Für die Ermittlung der Solarenergiegewinne müssen zukünftig ja sowieso die genauen Fenstergrößen bei der Erstellung der Energiebilanz eines Gebäudes berücksichtigt werden.

Für den Vergleich unterschiedlicher Fensterkonstruktionen und für Marketingzwecke dient für die Angabe von Uw-Werten weiterhin das bekannte Prüf-Fenstermaß von 1230 mm x 1480 mm.

Die EnEV-Anforderungen an Fenster

Für den Gebäudebestand lässt sich diese Frage sehr leicht beantworten: Werden im Rahmen der energetischen Sanierung von Altbauten neue Fenster eingebaut, so ist ein U-Wert für diese Fenster von Uw = 1,7 W/(m2K) nachzuweisen.

Das bedeutet: Die heute am Markt üblichen Standardsysteme erfüllen diese Marke, sind also energetisch ausreichend.

Wie sieht es im Neubau aus?

Hier fehlen die gewohnten Angaben, da keine Bauteilwerte mehr im Anforderungskatalog für den Neubau existieren. Erst die genaue Energiebilanz des jeweiligen Gebäudes entscheidet über die energetische Zusammensetzung der Bauteile. Im einen Gebäude könnte ein Fenster Uw von 1,4 W/(m2K) genau passen, im anderen Gebäude dagegen Fenster mit einem Uw von 1,0 W/(m2K) notwendig werden.

Wie gut werden Fenster zukünftig dämmen müssen?

Zur Klärung dieser Frage wird ein Wohngebäude (Abb. 5) nach den neuen Berechnungsgrundlagen energetisch bewertet.


Abb. 5: Ansicht des Wohngebäudes.

Da es sich bei dieser Frage um die Höhe der Transmissionswärmeverluste handelt, werden die hierzu relevanten Daten berechnet und der spezifische Transmissionswärmeverlust HT' ermittelt. Bei HT' handelt es sich anschaulich um den mittleren U-Wert der wärmeübertragenden Gebäude-Umfassungsfläche.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 kurz dargestellt.

Tabelle 2: Übersicht der Wohngebäude-Kenngrößen zur Klassifizierung der Transmissionswärmeverluste.

Kenngröße

Wert

Bruttovolumen Ve

516,50 m3

Wärmeübertragende Umfassungsfläche A

397,55 m2

Hullfächenfaktor A/Ve

0,77 m-1

HT' -Anforderung nach EnEV

0,49 W/(m2K)

HT' des Wohngebäudes mit 28 % Fensterflächenanteil

0,47 W/(m2K)

HT' des Wohngebäudes ohne Fensterflächen

0,28 W/(m2K)

Wie die Berechnungen ergeben, unterbietet das Gebäude mit einem HT' von 0,47 W/(m2K) die Anforderungen der EnEV 2002 um 2 Hunderstel W/(m2K).

Wird jetzt der Fensterflächenanteil erhöht, so erreicht das Gebäude sehr schnell den zulässigen Höchstwert von HT' = 0,49 W/(m2K). Bei weiterer Vergrößerung der Fensterflächen wird dieser überschritten. Die Anforderungen an HT' werden nicht mehr erfüllt, die Folge: Die Wärmedämmung der Umfassungsfläche muss verbessert werden.

Im Folgenden wird das Dämmniveau der opaken Bauteile beibehalten. Durch die Variation der Fensterflächenanteile hei verschiedenen Uw -Werten der Fenster ergeben sich unterschiedliche Ergebnisse für HT'. Diese sind in Abb. 6 dargestellt.


Abb. 6: Darstellung des spezifischen Transmissionswärmeverlustes HT' in Abhängigkeit des Fensterflächenanteils bei verschiedenen Fenster-Uw-Werten. Der grau angelegte Bereich unterhalb der 0,49er Marke markiert den Niedrigenergiehaus-Fenster-Bereich.

Es zeigt sich:

Dieses Ergebnis führt zur folgenden Definition des nach wie vor als "Grauzone" gehandelten Niedrigenergiehausfenster-Begriffes:

Vorschlag zur Definition des Begriffes "Niedrigenergiehausfenster"

Energetisches Kennzeichen eines Niedrigenergiehausfensters ist ein Wärmedurchgangskoeffizient des gesamten Bauteils von Uw zwischen 1,0 und 1,2 W/(m2K), bezogen auf ein Fenstermaß von 1230 mm x 1480 mm.

Fenster mit diesem Dämmniveau reduzieren die Transmissionswärmeverluste der Gebäudehülle deutlich und ermöglichen so den Bau von Niedrigenergiegebäuden ohne Einschränkung der gestalterischen Freiheit.

Diese Festlegung erscheint sinnvoll, auch als Zielvorgabe in der Entwicklung von Fensterkonstruktionen, die somit zwischen den klar definierten Passivhausfenstern mit Uw im Bereich <= 0,8 W/(m2K) und den "Altbau"-Fenstern mit Uw <=1,7 W/(m2K) liegen. Die Entwicklungstendenzen einzelner Hersteller der Fensterindustrie weisen bereits in diese Richtung.

Zusammenfassung Teil 1 und Ausblick

Mit Einführung der neuen EnEV Anfang nächsten Jahres ändern sich die baurechtlich verbindlichen Grundlagen zur Berechnung der Wärmedämmeigenschaften von Gebäuden und Einzelbauteilen.

Neue technisch, wissenschaftliche Basis bilden dabei Europäisch harmonisierte Normenwerke. Der neue Stand der Technik in puncto Wärmedämmberechnungen für Fenster ist in der neuen DIN EN ISO 10077-1 dokumentiert.

Wichtigste Neuerungen sind die Berücksichtigung der zusätzlichen Wärmeverluste über den Glasrand und die größengenaue Berechnung der Fenster U-Werte.

Insbesondere der Wegfall der Rahmenmaterialgruppen und Tabellenableseverfahren ist zu begrüßen und wird in der DIN EN 10077 wie folgt wegweisend kommentiert: "Die zukünftige Entwicklung sollte nicht durch Tabellenwerte von Uf eingeschränkt werden." Im Klartext: Rahmenkonstruktionen mit thermisch guten Eigenschaften werden mit ihren eigenen Kennwerten in der energetischen Gebäudeplanung "richtig" berücksichtigt. Ohne die Gefahr in einer Gruppierung zu "verwässern", lohnt sich also die Entwicklung gut dämmender Fenstersysteme für hochwärmegedämmte Gebäude.

Zukünftig wird auch die Berechnung der Rahmen U-Werte mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode gleichberechtigt neben den Messungen auf dem Prüfstand als Verfahren anerkannt.

Insbesondere in der Entwicklung und Gesamtbeurteilung von Fenstersystemen liefern die Temperatur und Wärmestromlinienverläufe wertvolle Informationen bezüglich den thermischen Fähigkeiten. Numerische Berechnungen unter festgelegten Randbedingungen bilden so die einzigste Möglichkeit zielgenau und kostengünstig die gewünschten Ergebnisse "einzustellen".

Der Planer wird zur Bestimmung des Fenster-U-Wertes Uw in Zukunft 3 Angaben benötigen: Die Einzeldämmwerte von Rahmen und Verglasung, sowie den dazugehörigen Psi-Wert für die Glasrandzone. Diese Daten sind von den Unternehmen der Fensterbranche bereitzustellen.

Durch den zusätzlichen Wärmeverlust über die Glasrandzone fallen Uw -Werte höher aus und sind mit bisherigen Fensterkennwerten nicht zu vergleichen. Das jeweilige Fenster wird dadurch nicht "schlechter", wie häufig beklagt wird, sondern bleibt gleich. Nur die Bewertungsgrundlage ist neu. Alle am Fenstermarkt Tätigen müssen ihre Werte nach diesen neuen Festlegungen ausrichten. Die Werte verschiedener Fenstersysteme sind dann auch wieder vergleichbar und liegen näher an der “physikalischen Wirklichkeit".

Mit dieser genauen Bestimmung der Fensterdämmwerte lassen sich endlich auch moderne Fensterkonstruktionen genau bewerten.

Ein wichtiger Schritt für eine energetisch sinnvolle Planung Energie sparender Gebäude der nahen Zukunft.

Basierend auf den hier vorgestellten Grundlagen beschäftigt sich Teil 2 u. a. eingehend mit der Herkunft und genauen Bewertung der Fenstereinzelwerte Uf, Ug und Psi sowie den Merkmalen gut wärmedämmender Fensterkonstruktionen.

Literatur

[1] Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden (Energieeinsparverordnung - EnEV). Vom Bundesrat verabschiedete Schlussfassung, Herbst 2001; www.enev-online.de.

[2] DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN EN ISO 10077-1, Wärmetechnisches Verhalten von Fenstern, Türen und Abschlüssen. Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten. Teil 1: Vereinfachtes Verfahren (ISO 10077-1:2000); Deutsche Fassung EN ISO 10077-1:2000. Ausgabe November 2000; Beuth Verlag GmbH, Berlin.

[3] DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN EN ISO 10077-2, Wärmetechnisches Verhalten von Fenstern, Türen und Abschlüssen. Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten. Teil 2: Numerisches Verfahren für Rahmen. Entwurf Februar 1999; Beuth Verlag GmbH, Berlin.

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Zum Autor: Marcus Hermes, Dipl.-lng. (FH), Jahrgang 1963. Studium der Bauphysik an der Hochschule für Technik in Stuttgart, Diplom 1989; 1984 bis 1989 Mitarbeiter am Fraunhofer Institut für Bauphysik, Stuttgart; 1989 bis 2000 Angestellter in zwei Unternehmen der Fensterindustrie, seit 1995 als Entwicklungsleiter; seit April 2000 selbstständig mit eigenem Ingenieurbüro. Hauptschwerpunkte sind die unabhängige und neutrale Beratung, Entwicklung und praxisgerechte Weiterbildung in den Bereichen Bauphysik und Fenstertechnik. Autor mehrerer Fachveröffentlichungen; Vortragstätigkeit bei Seminaren und Ausbildungsstätten, Schwerpunkt: Wärme-, Feuchte-, Schallschutz und Wohnghysik.


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