Vergleich von Software zur Analyse von zweidimensionalen Wärmebrücken
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Vergleich von Software zur Analyse von zweidimensionalen Wärmebrücken Comparison of software for analysis of two-dimensional thermal bridges Bachelor Thesis Martin Claus Müller Bauingenieurwesen © Martin Claus Müller – Technische Universität Darmstadt – ENERGIE & HAUS, B.Sc. Thesis, 2013
Martin Claus Müller Email: waermebrueckensimulation@gmail.com Studiengang: Bachelor of Science Bauingenieurwesen Bachelor Thesis Thema: "Vergleich von Software zur Analyse von zweidimensionalen Wärmebrücken" Onlineausgabe/Version 1.1/Stand 23.10.2013 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Werkstoffe im Bauwesen Fachbereich Bauingenieurwesen Petersenstraße 12 64287 Darmstadt ENERGIE & HAUS Rheinstraße 99.4 64295 Darmstadt Tel: 06151 - 360400 www.energie-und-haus.com © Martin Claus Müller – Technische Universität Darmstadt – ENERGIE & HAUS, B.Sc. Thesis, 2013
Danksagungen An dieser Stelle möchte ich ganz herzlich allen danken, die mich bei der Erstellung dieser Bachelor Thesis unterstützt haben. Dies gilt insbesondere meinen Eltern, die mir jederzeit zur Seite standen und trotz Fehlschlägen im Studium immer an mich glaubten; Prof. Dr. –Ing. Harald Garrecht, der das Interesse für Bauphysik durch praxisnahe, interessante Vorlesungen und im persönlichen Gespräch weckte; Dipl.-Ing. Thomas Becker, der mir stets geduldig sowie kompetent weitergeholfen hat, sich viel Zeit nahm komplexe Inhalte zu erklären und dadurch die Qualität dieser Thesis in diesem Ausmaße erst ermöglichte; Dipl.-Ing. Katrin Schubert für ihre weitreichenden Unterstützungen, da sie jederzeit offen für den Dialog war, den Kontakt zu ENERGIE & HAUS herstellte und half die Lizenzen der Programme zu erhalten; Dipl.-Ing. Elena Alexandrakis für die ansprechende Lehre der „konstruktiven Bauphysik“ im WS12/13 und die Betreuung in der Endphase der Arbeit. Besonders möchte ich der Firma ENERGIE & HAUS aus Darmstadt für großartige Mitarbeiter und einen Arbeitsplatz, wie man ihn sich nur wünschen kann, danken. Desweiteren danke ich Dr. Lars Ferchland sowie M.Sc. Patrick Sellheim für aufopferungsvolles Korrekturlesen nicht nur unter physikalischen Gesichtspunkten. Abschließend bedanke ich mich bei allen Firmen für das Bereitstellen der Softwarelizenzen. © Martin Claus Müller – Technische Universität Darmstadt – ENERGIE & HAUS, B.Sc. Thesis, 2013 i
Inhaltsverzeichnis
Danksagungen.................................................................................................................................. i
Inhaltsverzeichnis ............................................................................................................................ ii
Abbildungsverzeichnis ..................................................................................................................... v
Tabellenverzeichnis ....................................................................................................................... vii
Abkürzungsverzeichnis ................................................................................................................. viii
1 Aufgabenstellung und Absichten der Thesis ......................................................................... - 1 -
2 Themeneinführung .............................................................................................................. - 2 -
2.1. Definition...................................................................................................................... - 2 -
2.2. Arten von Wärmebrücken ............................................................................................. - 3 -
2.2.1 Stoffliche/materialbedingte Wärmebrücken ........................................................... - 4 -
2.2.2 Die geometrische Wärmebrücke ............................................................................. - 5 -
2.3. Dimensionen von Wärmebrücken .................................................................................. - 6 -
2.4. Punktförmige und lineare Wärmebrücken ..................................................................... - 7 -
2.5. Auswirkungen von Wärmebrücken ................................................................................ - 8 -
2.5.1 Schimmelpilzbildung .............................................................................................. - 9 -
2.5.2 Erhöhte Transmissionswärmeverluste ................................................................... - 10 -
2.6. Lokalisierung von Wärmebrücken ............................................................................... - 11 -
2.7. Notwendigkeit der Nachweisführung .......................................................................... - 12 -
2.7.1 Wärmebrückenberücksichtigung in der EnEV 2009 .............................................. - 12 -
2.7.2 Wärmebrückenkataloge ........................................................................................ - 14 -
2.8. Inhalt der DIN EN ISO 10211 – Wärmebrücken im Hochbau ....................................... - 15 -
3 Rechnerische Ermittlung zweidimensionaler Wärmebrücken.............................................. - 16 -
3.1. Allgemeine Grundlagen............................................................................................... - 16 -
3.2. Der Lineare Wärmebrückenverlustkoeffizient .............................................................. - 17 -
3.3. Bauteiloberflächentemperaturen ................................................................................. - 17 -
3.4. Innen- und Außenmaßbezug ....................................................................................... - 18 -
3.5. Die Numerische Methode der finiten Elemente zur Simulation von Wärmebrücken ..... - 19 -
4 Vorstellung der Software ................................................................................................... - 21 -
4.1. Therm ......................................................................................................................... - 22 -
4.2. WinIso ........................................................................................................................ - 23 -
4.3. Flixo ........................................................................................................................... - 23 -
4.4. Argos .......................................................................................................................... - 23 -
4.5. Psi-Therm ................................................................................................................... - 24 -
5 Einarbeiten in die Software................................................................................................ - 25 -
5.1. Therm ......................................................................................................................... - 25 -
5.2. WinIso ........................................................................................................................ - 26 -
5.3. Flixo ........................................................................................................................... - 27 -
5.4. Argos .......................................................................................................................... - 28 -
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5.5. Psi-Therm ................................................................................................................... - 30 -
6 Validierung der Software durch Prüfreferenzfälle nach DIN EN ISO 10211 ........................ - 32 -
6.1. Prüfreferenzfall 1 ........................................................................................................ - 32 -
6.1.1 Therm .................................................................................................................. - 33 -
6.1.2 WinIso.................................................................................................................. - 33 -
6.1.3 Flixo ..................................................................................................................... - 34 -
6.1.4 Argos ................................................................................................................... - 34 -
6.1.5 Psi-Therm............................................................................................................. - 35 -
6.1.6 Fazit Prüfreferenzfall 1 ......................................................................................... - 35 -
6.2. Prüfreferenzfall 2 ........................................................................................................ - 36 -
6.2.1 Therm .................................................................................................................. - 37 -
6.2.2 WinIso.................................................................................................................. - 38 -
6.2.3 Flixo ..................................................................................................................... - 38 -
6.2.4 Argos ................................................................................................................... - 39 -
6.2.5 Psi-Therm............................................................................................................. - 40 -
6.2.6 Fazit Prüfreferenzfall 2 ......................................................................................... - 40 -
6.3. Ergebnisse der Validierung .......................................................................................... - 40 -
7 Berechnung der Beispieldetails .......................................................................................... - 41 -
7.1. Außenecke .................................................................................................................. - 42 -
7.1.1 Therm .................................................................................................................. - 44 -
7.1.2 WinIso.................................................................................................................. - 45 -
7.1.3 Flixo ..................................................................................................................... - 46 -
7.1.4 Argos ................................................................................................................... - 47 -
7.1.5 Psi-Therm............................................................................................................. - 48 -
7.1.6 Fazit Außenecke ................................................................................................... - 49 -
7.2. Sockelanschluss .......................................................................................................... - 50 -
7.2.1 Therm .................................................................................................................. - 52 -
7.2.2 WinIso.................................................................................................................. - 53 -
7.2.3 Flixo ..................................................................................................................... - 54 -
7.2.4 Argos ................................................................................................................... - 55 -
7.2.5 Psi-Therm............................................................................................................. - 56 -
7.2.6 Fazit Sockelanschluss ........................................................................................... - 57 -
7.3. Traufanschluss ............................................................................................................ - 58 -
7.3.1 Therm .................................................................................................................. - 59 -
7.3.2 WinIso.................................................................................................................. - 60 -
7.3.3 Flixo ..................................................................................................................... - 61 -
7.3.4 Argos ................................................................................................................... - 61 -
7.3.5 Psi-Therm............................................................................................................. - 61 -
7.3.6 Fazit Traufanschluss ............................................................................................. - 62 -
7.4. Fenstersturz mit Rollladenkasten ................................................................................ - 63 -
7.4.1 Therm .................................................................................................................. - 65 -
7.4.2 WinIso.................................................................................................................. - 66 -
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7.4.3 Flixo ..................................................................................................................... - 66 -
7.4.4 Argos ................................................................................................................... - 66 -
7.4.5 Psi-Therm............................................................................................................. - 67 -
7.4.6 Fazit Fenstersturz mit Rollladenkasten ................................................................. - 67 -
8 Bewertung ......................................................................................................................... - 69 -
8.1. Bewertungsinstrumente .............................................................................................. - 69 -
8.2. Die Kategorien der Bewertung .................................................................................... - 70 -
8.2.1 Funktionen ........................................................................................................... - 70 -
8.2.2 Einarbeiten........................................................................................................... - 70 -
8.2.3 Arbeiten mit der Software .................................................................................... - 70 -
8.2.4 Ablauf der Simulationen....................................................................................... - 71 -
8.2.5 Ergebnis der Simulationen ................................................................................... - 72 -
8.2.6 Ergebnisdarstellung .............................................................................................. - 72 -
9 Fazit .................................................................................................................................. - 73 -
10 Literaturverzeichnis ........................................................................................................... - 74 -
10.1. Verwendete Literatur .................................................................................................. - 74 -
10.2. Verwendete DIN-Normen ............................................................................................ - 75 -
10.3. Verwendete Internetquellen ........................................................................................ - 75 -
11 Anhang .................................................................................................................................... A
11.1. Berechnung der Oberflächentemperaturen ........................................................................ A
11.2. Ergebnisse der vier Anschlussdetails .................................................................................. B
11.3. Endbewertung .................................................................................................................. C
Erklärung zur Abschlussarbeit gemäß §23, Abs. 7APB ...................................................................... I
© Martin Claus Müller – Technische Universität Darmstadt – ENERGIE & HAUS, B.Sc. Thesis, 2013 iv
Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 – Beispiele für Stellen, an denen Wärmebrücken auftreten können .......................... - 2 - Abbildung 2 – Thermografische Aufnahme einer materialbedingten Wärmebrücke ...................... - 4 - Abbildung 3 – Thermografische Aufnahme konstruktive Wärmebrücke ........................................ - 4 - Abbildung 4 - Außenecke Thermografie....................................................................................... - 5 - Abbildung 5 – Beispiel einer geometrischen Wärmebrücke .......................................................... - 5 - Abbildung 6 - Skizze Haus – lineare & punktf. WB ....................................................................... - 7 - Abbildung 7 - Schimmelpilzbildung - Diagramm .......................................................................... - 9 - Abbildung 8 - Seitenschnitt eines Wohnhauses .......................................................................... - 11 - Abbildung 9 - Grundriss eines Stockwerks ................................................................................. - 11 - Abbildung 10 - Grundriss des Kellers ......................................................................................... - 11 - Abbildung 11 - Auszug Wärmebrückenkatalog Kalksandstein ................................................... - 15 - Abbildung 12 - Innen- und Außenmaßbezug - Beispiel Außenecke ............................................ - 18 - Abbildung 13 - Temperaturgleichgewicht innerhalb einer einzelnen Zelle ................................. - 19 - Abbildung 14 - Thermische Leitung zwischen verschiedenen Zellen........................................... - 19 - Abbildung 15 - Einarbeiten - Therm - Schaltflächen ................................................................... - 25 - Abbildung 16 - Einarbeiten - Therm - Koordinaten..................................................................... - 25 - Abbildung 17 - Einarbeiten - Therm - Fehlermeldung Überlappungen ........................................ - 25 - Abbildung 18 - Einarbeiten - WinIso - Oberfläche ...................................................................... - 26 - Abbildung 19 - Einarbeiten - WinIso - DXF-Editor ...................................................................... - 27 - Abbildung 20 - Einarbeiten - Flixo - Oberfläche ......................................................................... - 27 - Abbildung 21 - Einarbeiten - Argos - Oberfläche ........................................................................ - 28 - Abbildung 22 - Einarbeiten - Argos - Anschlussdetailimport ....................................................... - 29 - Abbildung 23 - Einarbeiten - Psi-Therm – Oberfläche ................................................................. - 30 - Abbildung 24 - Einarbeiten - Psi-Therm - DXF-Skalierung .......................................................... - 30 - Abbildung 25 - Prüfreferenzfall 1 aus DIN EN ISO 10211 .......................................................... - 32 - Abbildung 26 - Prüfreferenzfall 1 - Therm ................................................................................. - 33 - Abbildung 27 - Prüfreferenzfall 1 - WinIso ................................................................................. - 33 - Abbildung 28 - Prüfreferenzfall 1 - Flixo .................................................................................... - 34 - Abbildung 29 - Prüfreferenzfall 1 - Argos ................................................................................... - 34 - Abbildung 30 - Prüfreferenzfall 1 – Psi-Therm ........................................................................... - 35 - Abbildung 31 - Prüfreferenzfall 2 aus DIN EN ISO 10211 .......................................................... - 36 - Abbildung 32 - Prüfreferenzfall 2 - Therm ................................................................................. - 37 - Abbildung 33 - Prüfreferenzfall 2 – WinIso - Wärmestrom ........................................................ - 38 - Abbildung 34 - Prüfreferenzfall 2 - Flixo – Oberflächentemperatur Punkt G ............................... - 38 - Abbildung 35 - Prüfreferenzfall 2 - Argos – Temperaturdarstellung............................................ - 39 - Abbildung 36 - Prüfreferenzfall 2 - Argos - Punkt C ................................................................... - 39 - Abbildung 37 - Prüfreferenzfall 2 - Argos - Fehlermeldung ........................................................ - 39 - Abbildung 38 - Prüfreferenzfall 2 – Argos – Gitternetz ............................................................... - 39 - Abbildung 39 - Prüfreferenzfall 2 - Psi-Therm ............................................................................ - 40 - Abbildung 40 - Anschlussdetail 1 – Außenecke .......................................................................... - 42 - © Martin Claus Müller – Technische Universität Darmstadt – ENERGIE & HAUS, B.Sc. Thesis, 2013 v
Abbildung 41 - Außenecke - Bemaßung ..................................................................................... - 43 - Abbildung 42 - Außenecke – WinIso - Ergebnis .......................................................................... - 45 - Abbildung 43 - Außenecke – Flixo – Wärmestrom...................................................................... - 46 - Abbildung 44 - Außenecke - Psi-Wert Berechnung – Flixo .......................................................... - 46 - Abbildung 45 - Außenecke - Argos - Ergebnisdarstellung ........................................................... - 47 - Abbildung 46 - Außenecke - Psi-Therm – Ergebnis ..................................................................... - 48 - Abbildung 47 - Anschlussdetail 2 - Sockelanschluss ................................................................... - 50 - Abbildung 48 - DIN 4108 Beiblatt 2 - Tabelle 7.......................................................................... - 50 - Abbildung 49 - Sockelanschluss - Materialien ............................................................................ - 51 - Abbildung 50 - Sockelanschluss - WinIso - Ergebnis ................................................................... - 53 - Abbildung 51 - Sockelanschluss - Flixo ...................................................................................... - 54 - Abbildung 52 - Sockelanschluss - Psi-Therm .............................................................................. - 56 - Abbildung 53 - Anschlussdetail 3 - Traufanschluss ..................................................................... - 58 - Abbildung 54 - Traufanschluss - Materialien .............................................................................. - 58 - Abbildung 55 - Traufanschluss - WinIso - Idealisierung der Schräge........................................... - 60 - Abbildung 56 - Anschlussdetail 4 - Rollladenkasten ................................................................... - 63 - Abbildung 57 - Auszug aus 4108 Beiblatt 2 - Tabelle 7 .............................................................. - 64 - Abbildung 58 - Anschlussdetail Rollladenkasten - Materialien.................................................... - 64 - Abbildung 59 - Rollladenkasten - Äquivalente Wärmeleitfähigkeit ............................................. - 65 - © Martin Claus Müller – Technische Universität Darmstadt – ENERGIE & HAUS, B.Sc. Thesis, 2013 vi
Tabellenverzeichnis Tabelle 1 - Softwareliste ............................................................................................................ - 21 - Tabelle 2 - Eigenschaften - Therm.............................................................................................. - 22 - Tabelle 3 - Eigenschaften - WinIso ............................................................................................. - 23 - Tabelle 4 - Eigenschaften - Flixo ................................................................................................ - 23 - Tabelle 5 - Eigenschaften - Argos ............................................................................................... - 23 - Tabelle 6 - Eigenschaften - Psi-Therm ........................................................................................ - 24 - Tabelle 7 - Übersicht Ergebnisse Validierung ............................................................................. - 40 - Tabelle 8 – Außenwand – Wandaufbau und U-Wert Berechnung ............................................... - 43 - Tabelle 9 - Außenecke Ergebnis – Therm ................................................................................... - 44 - Tabelle 10 - Außenecke Ergebnis – WinIso ................................................................................ - 45 - Tabelle 11 - Außenecke Ergebnis – Flixo.................................................................................... - 46 - Tabelle 12 - Außenecke Ergebnis – Argos .................................................................................. - 47 - Tabelle 13 – Außenecke Ergebnis – Psi-Therm ........................................................................... - 48 - Tabelle 14 - Außenecke - Ergebniszusammenstellung ................................................................ - 49 - Tabelle 15 - Sockelanschluss - Materialien ................................................................................. - 51 - Tabelle 16 - Sockelanschluss Ergebnis – Therm.......................................................................... - 52 - Tabelle 17 - Sockelanschluss Ergebnis – WinIso ......................................................................... - 53 - Tabelle 18 - Sockelanschluss Ergebnis – Flixo ............................................................................ - 54 - Tabelle 19 - Sockelanschluss Ergebnis – Argos ........................................................................... - 55 - Tabelle 20 - Sockelanschluss Ergebnis – Psi-Therm .................................................................... - 56 - Tabelle 21 - Sockelanschluss - Ergebniszusammenstellung......................................................... - 57 - Tabelle 22 - Traufanschluss – Materialien .................................................................................. - 59 - Tabelle 23 - Traufanschluss Ergebnis – Therm ........................................................................... - 59 - Tabelle 24 - Traufanschluss Ergebnis – WinIso........................................................................... - 60 - Tabelle 25 - Traufanschluss Ergebnis – Flixo.............................................................................. - 61 - Tabelle 26 - Traufanschluss Ergebnis – Argos ............................................................................ - 61 - Tabelle 27 - Traufanschluss Ergebnis – Psi-Therm...................................................................... - 61 - Tabelle 28 - Traufanschluss - Ergebniszusammenstellung .......................................................... - 62 - Tabelle 29 - Rollladenkasten - Materialien ................................................................................. - 64 - Tabelle 30 - Rollladenkasten Ergebnis – Therm ......................................................................... - 65 - Tabelle 31 - Rollladenkasten Ergebnis – WinIso ......................................................................... - 66 - Tabelle 32 - Rollladenkasten Ergebnis – Flixo ............................................................................ - 66 - Tabelle 33 - Rollladenkasten Ergebnis – Argos ........................................................................... - 67 - Tabelle 34 - Rollladenkasten Ergebnis – Flixo ............................................................................ - 67 - Tabelle 35 - Rollladenkasten - Ergebniszusammenstellung......................................................... - 67 - Tabelle 36 - Bewertungsskala .................................................................................................... - 69 - Tabelle 37 - Bewertung der mittleren Abweichungen ................................................................. - 72 - Tabelle 38 - Ergebnisse aller Programme und Anschlussdetails ........................................................ B Tabelle 39 - Endbewertung .............................................................................................................. C © Martin Claus Müller – Technische Universität Darmstadt – ENERGIE & HAUS, B.Sc. Thesis, 2013 vii
Abkürzungsverzeichnis Abw. Abweichung bspw. beispielsweise bzgl. bezüglich bzw. beziehungsweise EnEV Energieeinsparverordnung (2009) etc. et cetera FDM Finite Differenzen Methode FEM Finite Elemente Methode ggf. gegebenenfalls Hrsg. Herausgeber mittl. mittlere r.L.f. relative Luftfeuchtigkeit S. Seite u.a. unter anderem ungest. ungestört usw. und so weiter vgl. vergleiche WDVS Wärmedämmverbundsystem z.B. zum Beispiel Zeitaufw. Zeitaufwand © Martin Claus Müller – Technische Universität Darmstadt – ENERGIE & HAUS, B.Sc. Thesis, 2013 viii
1 Aufgabenstellung und Absichten der Thesis
Diese Bachelor Thesis befasst sich mit Software zur stationären, zweidimensionalen
Wärmebrückensimulation. Verschiedene Programme für diesen Zweck sollen verglichen werden.
Da moderne Gebäude immer hochwertiger gedämmt werden, fallen Wärmebrücken prozentual
stärker in das Gewicht der Energiebilanzen, als früher. Deshalb ist eine genaue Betrachtung und
Bestimmung dieser zusätzlichen Wärmeströme von immer größerer Bedeutung.
Standards von KfW-Effizienzhaus 55, 40 oder Passivhaus sind beispielsweise nur mit genauen
Nachweisen der Wärmebrücken zu erreichen, denn pauschale Zuschläge der DIN 4108-6 bzw.
18599 sind zu hoch angesetzt für diese Gebäudetypen.
Auszug aus der Aufgabenstellung:
- Vorstellung Nachweis- und Berechnungsverfahren von Wärmebrücken
- Prinzipielles Vorgehen
- Bewertungskriterien definieren
- Validierung der Programme mit Prüfreferenzfällen
- Bewertung der Programme anhand der vorher erarbeiteten Kriterien
- Erstellen Einer Tabelle, die alle Bewertungen beinhaltet
Nach einer Einleitung, die sich mit Wärmebrücken im Allgemeinen befasst und diese vorstellt, wird
beschrieben, wie diese prinzipiell nach DIN EN ISO 10211 zu berechnen sind.
Vor Validierung durch die in der Norm gegebenen Prüfreferenzfälle, wird die Software der
verschiedenen Entwickler kurz vorgestellt und die Umstände des Einarbeitens beschrieben.
Anschließend folgen Berechnungen der vier gegebenen Anschlussdetails mithilfe der einzelnen
Programme zusammenhängend mit der Vorstellung erzielter Werte.
Eine Analyse der Ergebnisse aus den Simulationen, die Zusammenstellung der Bewertungen von
vorher aufgestellten Kriterien und das Fazit bilden den Abschluss dieser Bachelor Thesis.
Wie zuvor festgestellt, wird die detaillierte Wärmebrückenberechnung in Zukunft immer wichtiger.
Deshalb soll in dieser Arbeit geprüft werden, in welchen Beziehungen sich die verschiedenen
Softwares zur stationären, zweidimensionalen Simulation, die momentan auf dem Markt angeboten
werden, unterscheiden und welche Ergebnisse diese in wie viel Zeit bezogen auf Arbeitsaufwand
liefern. Die verschiedenen Programme sollen an erarbeiteten Bewertungskriterien gemessen und
verglichen werden, um eine Bewertung in Bezug auf Wärmebrückensimulation zu zulassen.
© Martin Claus Müller – Technische Universität Darmstadt – ENERGIE & HAUS, B.Sc. Thesis, 2013 12 Themeneinführung
2.1. Definition
Ein Gebäude ist eine wärmetechnische Einheit, in der konstruktionsbedingt an unterschiedlichen
Stellen unterschiedliche Wärmeströme fließen. Stellen mit höherem Wärmestrom, als der reguläre
Wandaufbau, werden Wärmebrücken genannt. Physikalisch gesehen sind es Orte, an denen die
Wärmestromlinien nicht parallel, sondern verzerrt bzw. kurvig, verglichen mit regulären Bauteilen
verlaufen.
Wie in Abbildung 1 1 zu erkennen ist, gibt es eine Reihe an möglichen Stellen innerhalb eines
Gebäudes an denen ein erhöhter Wärmestrom vorherrschen kann. Meist handelt es sich um
Anschlussdetails oder Verbindungen, an denen verschiedenen Arten von Bauteilen bzw.
Bauteilkomponenten aufeinander treffen (z.B. transparente Komponenten an der Außenwand).
Aber auch Durchstöße von Wand oder Dach werden als solche thermische Schwachstellen
betrachtet.
Abbildung 1 – Beispiele für Stellen, an denen Wärmebrücken auftreten können
DIN EN ISO 10211 definiert eine Wärmebrücke wie folgt:
„Wärmebrücke - Teil der Gebäudehülle, wo der ansonsten gleichförmige Wärmedurchlasswiderstand
signifikant verändert wird durch:
eine vollständige oder teilweise Durchdringung der Gebäudehülle durch Baustoffe mit
unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit und/oder
eine Änderung der Dicke der Bauteile und/oder
eine unterschiedlich große Differenz zwischen Innen- und Außenfläche, wie sie bei Wand-,
2
Fußböden und Decken-Anschlüssen auftritt“
1
Feist, Wolfgang; Born, Rolf; Hessisches Ministerium für Umwelt (2012): „Wärmebrücken – Ursachen und
Auswirkungen“ Informationsbroschüre für Endverbraucher, Wiesbaden, S.7
2
DIN EN ISO 10211 – 3.1.1
© Martin Claus Müller – Technische Universität Darmstadt – ENERGIE & HAUS, B.Sc. Thesis, 2013 22.2. Arten von Wärmebrücken
Wärmebrücken unterteilen sich in drei Arten: konstruktive, geometrische und stoffliche/material-
bedingte.
In der Realität besteht zwischen der konstruktiven und der stofflich/materialbedingten
Wärmebrücke kein großer Unterschied, denn beide Arten verursachen einen größeren Wärmestrom
durch die selbe Ursache: Der Wechsel von Wärmeleitfähigkeiten unterschiedlicher Baustoffe
innerhalb eines Bauteils bzw. mehrerer angrenzender Bauteile. Konstruktive Wärmebrücken können
zusätzlich zu den Einflüssen aus Materialwechsel auch geometrische Einflüsse erfahren. Sie sind
also vereinzelt auch als eine Mischung aus zwei Arten zu verstehen.
Ob der Wechsel der Leitfähigkeiten an den Bauteilen durch konstruktive (z.B. statische,
zweckgebundene) oder stoffliche Gründe hervorgerufen wird, ist technisch betrachtet irrelevant.
Im Rahmen dieser Arbeit werden daher die reinen Formen der geometrischen und der
stofflichen/materialbedingten Wärmebrücke vorgestellt.
Physikalisch gesehen lassen sich Wärmebrücken in zwei Gruppen unterteilen:
Höherer Wärmestrom wird durch einen Wechsel verschiedener Wärmeleitfähigkeiten
innerhalb eines Bauteiles hervorgerufen.
Höherer Wärmestrom resultiert aus einer höheren Außenoberfläche verglichen mit der
inneren Bauteiloberfläche.
Meistens ist eine bestimmte Art von Wärmebrücke nicht einzeln anzutreffen, denn der häufigste Fall
in der Praxis ist, dass sich eine Wärmebrücke aus der gegebenen Geometrie und dem Wechsel des
Materials zusammensetzt. Somit resultiert der höhere Wärmestrom aus diesen zwei Komponenten.
Hierdurch kann bei dem Großteil der Stellen mit erhöhter Wärmestromdichte nicht von einer reinen
geometrischen oder materialbedingten Wärmebrücke ausgegangen werden.
Spricht man von Wärmebrücken konstruktiver Art, ist meist eine Mischung aus den beiden oben
genannten Typen thermischer Schwachstellen gemeint.
Mitunter wird in der Fachliteratur die „konvektive Wärmebrücke“ oder auch „ausführungsbedingte
Wärmebrücke“ als eine eigene Art von Wärmebrücken aufgeführt.
Zum Beispiel ist diese konvektive Art in einem Begleitheft zur EnEV 2009 als Verletzungen der
Dampfsperre oder der Luftdichtheitsschicht entstandenen Leckagen3 definiert, bei denen es zu
ungewollten Wärmeverlusten durch Konvektion kommt.
Nach Ansicht des Verfassers, handelt es sich hierbei jedoch nicht um eine Wärmebrücke im
klassischen Sinne, sondern um Ausführungs- bzw. Planungsfehler in Anschlussbereichen.
Sobald eine Stelle in einer Gebäudehülle einen Konvektionsstrom aufweist, kann nicht mehr von
einer kalkulierbaren bzw. einzuplanenden Wärmebrücke gesprochen werden.
Ferner schließt die Definition von Wärmebrücken unter Punkt 2.1 eine Luftkonvektion nicht ein.
Daher sollte man hier von vermeidbaren Fehlern in der Gebäudeplanung sowie Ausführung reden,
denn Wärmebrücken sind vorhersehbar, planbar und somit auch zu minimieren.
3
Gierga, Michael (2010): „EnEV 2009 – Energieeinspar-Verordnung – Leitfaden für Wohngebäude“ Arbeitsgemeinschaft
Mauerziegel e.V., Bonn, S. 28
© Martin Claus Müller – Technische Universität Darmstadt – ENERGIE & HAUS, B.Sc. Thesis, 2013 32.2.1 Stoffliche/materialbedingte Wärmebrücken Stoffliche Wärmebrücken entstehen, wenn Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit an Baustoffe mit geringerer Wärmeleitfähigkeit grenzen. Anhand des Wärmebildkamerabildes in Abbildung 2 4 ist zu erkennen, dass die Temperaturen außen an den im Mauerwerk integrierten Stahlträgern relativ zu den an der regulären Gebäudehülle herrschenden Temperaturen viel höher sind. Diese Schwachstelle innerhalb des Bauteils Wand besitzt eine höhere Wärmeleitfähigkeit und somit herrscht dort ein größerer Wärmestrom vor. Abbildung 2 – Thermografische Aufnahme einer materialbedingten Wärmebrücke Ähnliche Effekte mit zusätzlichem geometrischem Einfluss sind auch z.B. an einer Auflagerung einer Decke auf Mauerwerk oder wie in Abbildung 3 5 an einer Balkoneinspannung festzustellen. Abbildung 3 – Thermografische Aufnahme konstruktive Wärmebrücke 4 Herbert, Carsten; ENERGIE & HAUS (2013): Wärmebrückenportal. http://www.waermebrueckenportal.de/images/stories/Bild2-t.jpeg (23.07.2013) 5 Herbert, Carsten; ENERGIE & HAUS (2013): Wärmebrückenportal. http://www.waermebrueckenportal.de/images/stories/wb-balkone-Schock6759.jpg(23.07.2013) © Martin Claus Müller – Technische Universität Darmstadt – ENERGIE & HAUS, B.Sc. Thesis, 2013 4
2.2.2 Die geometrische Wärmebrücke
Bauteile, die außen eine größere, kältere Oberfläche als innen aufweisen, nennt man geometrische
Wärmebrücken.
Durch die im Verhältnis größere Außenfläche relativ zu der regulären Gebäudehülle kann mehr
Wärme aus dem Inneren des Gebäudes abgeführt werden. Allgemein handelt es sich um eine
Formänderung von zwei aufeinandertreffenden Bauteilen.
Abbildung 5 – Beispiel einer geometrischen Wärmebrücke
Abbildung 4 - Außenecke Thermografie
Beispielsweise stellt eine einfache Ecke einer Außenwand eine geometrische Schwachstelle des
Bauwerks dar. Betrachtet man eine Innenecke (eine sich nach innen kehrende Gebäudeecke) hat
diese eine größere Oberfläche innen als außen und weist somit eine kleinere Wärmestromdichte als
der reguläre Wandaufbau auf.
Anhand von Abbildung 5 6, kann man erkennen, dass der Wärmestrom, anders als bei einem
Regelbauteil, wie zum Beispiel einer Wand, verläuft.
Geometrische Wärmebrücken wirken sich in ihren Effekten nicht nennenswert auf die Gesamtbilanz
eines Gebäudes aus und sollen laut Passivhausinstitut „…bei ansonsten guter Planung nahezu
7
unbedeutend“ sein. „Der Wärmeverlust über , berechnet mit der Außenoberfläche als
Bezugsfläche, ist in der Regel höher als der mehrdimensionale Wärmestrom inkl. aller
Wärmebrückeneffekte.“ 8
In Abbildung 4 ist die Auswirkung einer geometrischen Wärmebrücke anhand eines im Wohnraum
aufgenommenen Thermografiebildes zu erkennen. Gemäß der Skala beträgt die Raumtemperatur
etwa 20°C und die Oberflächentemperatur in der linearen Ecke beider Wände ca. 13°C.
Die Stelle, an der beide Wände und die Decke aufeinander treffen, hat einen höheren Wärmestrom
und weist laut Farbschema eine ungefähre Temperatur von 12°C auf. Wobei die punktförmige,
dreidimensionale Wärmebrücke (vgl. 2.3 – „Dimensionen von Wärmebrücken“) in diesem Falle eine
Schimmelgefahr bedeuten würde, da die Oberflächentemperatur unter 12,6°C liegt (siehe Kapitel
2.5.1).
6
Feist, Wolfgang; Born, Rolf; Hessisches Ministerium für Umwelt (2012): „Wärmebrücken – Ursachen und
Auswirkungen“ Informationsbroschüre für Endverbraucher, Wiesbaden, S.3
7
Siehe Kapitel 3 - Rechnerische Ermittlung zweidimensionaler Wärmebrücken
8
Feist, Wolfgang; Passivhaus Institut (2010): „Protokollband Nr. 16 - Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser -
Wärmebrückenfreies Konstruieren“ 9. Auflage, Darmstadt, S.1
© Martin Claus Müller – Technische Universität Darmstadt – ENERGIE & HAUS, B.Sc. Thesis, 2013 52.3. Dimensionen von Wärmebrücken Bei Wärmebrücken wird zwischen ein-, zwei und dreidimensionalen Wärmebrücken unterschieden. Eindimensionale Wärmebrücken Enthält eine Außenwand verschiedene Materialien mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten, entstehen eindimensionale Wärmebrücken. Der Wärmestrom wird hier eindimensional genannt, da er in eine Richtung fließt. Zweidimensionale Wärmebrücken Diese werden durch zwei aufeinander treffende Bauteile verursacht. Beispielsweise ist eine Außenecke eine Wärmebrücke zweiter Dimension, da beide äußere Wände aus zwei unterschiedlichen Richtungen in einem Punkt aufeinander treffen und der Wärmestrom sich somit nicht nur in eine Richtung bewegt. Dreidimensionale Wärmebrücken Allgemein lässt sich sagen, dass dreidimensionale Wärmebrücken entstehen, wenn drei oder mehr Bauteile aufeinandertreffen. Dies sind beispielsweise Ecken in einem Gebäude, die sich aus mindestens drei aufeinanderstoßenden Kanten zusammensetzen. In dieser Thesis werden ausschließlich zweidimensionale Wärmebrücken simuliert und diskutiert, da nur diese in die Gesamtbilanz von Gebäuden nach DIN 4108-6 berücksichtigt werden. © Martin Claus Müller – Technische Universität Darmstadt – ENERGIE & HAUS, B.Sc. Thesis, 2013 6
2.4. Punktförmige und lineare Wärmebrücken Alle Linien in Abbildung 6 stellen lineare Wärmebrücken dar. Neben diesen linearen gibt es auch punktuelle Schwachstellen, die sich zum Beispiel durch WDVS- Befestigungen und Kabeldurchstöße äußern können oder dort zu finden sind, wo drei oder mehr Gebäudekanten aufeinander treffen (siehe ebenfalls Abbildung 6). Sie werden, bezogen auf ihre Dimension zu den dreidimensionalen Wärmebrücken (vgl. 2.3) gezählt, da beispielsweise ein Wandanker zur Befestigung der Wärmedämmung eine bestimmte Dicke hat und nicht als Punkt ohne Fläche betrachtet werden kann. Man kann ihn auch in einer zweidimensionalen Wärmebrückensimulation nicht berücksichtigen. Der Wärmestrom einer solchen thermischen Schwachstelle weist bei Draufsicht eine radiale Form auf. Die grünen Zahlen in den gleichfarbigen Kreisen zeigen die linearen, zweidimensionalen Anschlussdetails, die unter Punkt 7 „Berechnung der Beispieldetails“ simuliert werden. Im Rahmen der Thesis werden für die Simulationen ausschließlich lineare und nicht punktförmige Wärmebrücken betrachtet. Denn punktuelle Wärmebrücken resultieren meist aus Durchdringungen durch die ungestörte Gebäudehülle und diese sind häufig in den Angaben des Herstellers über einen Wandaufbau in Bezug auf den U-Wert berücksichtigt bzw. müssen mit einem Aufschlag nach DIN EN ISO 6946 einberechnet werden. Linearen Wärmebrücken werden prinzipiell innerhalb des Schnitts, der 90 Grad zu ihrer Ausstreckungsrichtung liegt, simuliert und später mit der Länge multipliziert, um den gesamten zusätzlichen Wärmestrom zu ermitteln. Abbildung 6 - Skizze Haus – lineare & punktf. WB © Martin Claus Müller – Technische Universität Darmstadt – ENERGIE & HAUS, B.Sc. Thesis, 2013 7
2.5. Auswirkungen von Wärmebrücken
Die zwei eigentlichen Effekte einer Wärmebrücke sind eine niedrigere, innere
Oberflächentemperatur und zusätzliche Transmissionswärmeverluste, die beide aus der erhöhten
Wärmestromdichte an dieser Stelle resultieren.
Aus hohem Wärmestrom folgt:
Niedrige Oberflächentemperatur
Tauwasserbildung
o Schimmelpilzbildung
o Schädigungen der Materialien
Beeinträchtigung der Behaglichkeit
Zusätzliche Transmissionswärmeverluste
Tiefe Temperaturen an Bauteilinnenoberflächen in Relation zur Raumtemperatur können zu
Tauwasserausfall, eine daraus resultierende Schimmelpilzbildung (auch schon ab 80% r.L.f. siehe
2.5.1) und eine verschlechterte Behaglichkeit (Wärmeabfluss und erhöhte, partielle Feuchtigkeit)
führen.
Zusätzlich lässt sich in Gebäudeecken, die einen höheren Wärmestrom aufweisen, beobachten, dass
sich an diesen Stellen mehr Staub ablagert als an anderen, bzw. nach einiger Zeit sich dunkler
einfärben (ohne zu schimmeln), als die übrige Wand. Dies liegt daran, dass sich dort durch die
höhere relative Luftfeuchtigkeit und die Wechselwirkung von Wasserdipolen mit Staubionen mehr
Staub als an anderen Stellen niederschlägt.9
9
Fischer, Jenisch, Stohrer, Homann, Freymuth, Richter, Häupl (2008): „Lehrbuch der Bauphysik“ 6. Auflage,
Wiesbaden, S.184
© Martin Claus Müller – Technische Universität Darmstadt – ENERGIE & HAUS, B.Sc. Thesis, 2013 82.5.1 Schimmelpilzbildung
Durch Schimmelwachstum wird die Wohnhygiene eingeschränkt und die verwendeten
Baumaterialien beschädigt.
Damit sich Schimmel ausbilden kann, müssen folgende Bedingungen gegeben sein: Feuchtigkeit auf
dem Material oder ausreichende Luftfeuchtigkeit, bestimmte Temperaturbedingungen, rauer
Untergrund, Sauerstoff und Nährstoffe. Diese Bedingungen müssen konstant über einen gewissen
Zeitraum vorherrschen.10
Der heutige Wissenstand zeigt, dass Schimmel nicht wie früher angenommen Wasser in flüssiger
Form benötigt, sondern dass es in Form einer relativen Luftfeuchte ab 80% zum Keimen von Sporen
und somit zu einer Schimmelpilzbildung kommen kann. Es muss also nicht zwangsläufig Wasser in
liquider Form (100% Luftfeuchte) vorliegen.
Das Diagramm (Abbildung 7) 11 zeigt anschaulich, welche Voraussetzungen aus Oberflächen-
temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit im Bereich der Wärmebrücke gegeben sein müssen,
damit eine Schimmelpilzbildung einsetzt.
Abbildung 7 - Schimmelpilzbildung - Diagramm
Somit sollte bei Wärmebrückennachweisen darauf geachtet werden, dass die relative
Luftfeuchtigkeit in den kritischen Bereichen unter keinen Umständen über 80% steigt (DIN 4108-2
in Verbindung mit DIN EN ISO 13788).
Die Bewertung der Schadensfreiheit durch Schimmelbildung erfolgt nach DIN 4108-2 unter
bestimmten Randbedingungen: Die Raumtemperatur beträgt 20°C und die relativen Luftfeuchte des
Raumes 50%. Unter gegebenen Umständen muss die Oberflächentemperatur an der thermischen
Schwachstelle bei über 12,6°C liegen, damit gewährleistet ist, dass die relative Luftfeuchtigkeit an
dieser Stelle nicht auf 80% steigt - kurz der fRsi Wert (Temperaturfaktor an der Wärmebrücke) 0,7
unterschreitet12:
10
Fischer, Jenisch, Stohrer, Homann, Freymuth, Richter, Häupl (2008): „Lehrbuch der Bauphysik“ 6. Auflage,
Wiesbaden, S.183
11
http://www.speidel.info/uploads/pics/s001.jpg (07.08.2013)
12
DIN 4108-2 – 6.2.3
© Martin Claus Müller – Technische Universität Darmstadt – ENERGIE & HAUS, B.Sc. Thesis, 2013 9(vgl. 3.3 Bauteiloberflächentemperaturen)
Mit: θsi Temperatur an innerer Oberfläche
θi Temperatur der Raumluft [°C]
θe Temperatur der Außenluft [°C]
Somit ist man angehalten, aufgrund möglicher Schimmelpilzbildung die Oberflächentemperatur an
Wärmebrücken bei den üblichen stationären Bedingungen ( über 12,6 °C zu
halten.
2.5.2 Erhöhte Transmissionswärmeverluste
Eine weitere Auswirkung von Wärmebrücken im Hausbau ist die Summe aller Schwachstellen, die
durch erhöhte Transmissionswärmeverluste die Gesamtbilanz des Heizwärmebedarfs beeinflussen.
Wieso der Nachweis der Wärmebrücken in Bezug auf diese Thematik von so großer Bedeutung ist,
wird unter Punkt 2.7 umfassender erläutert.
© Martin Claus Müller – Technische Universität Darmstadt – ENERGIE & HAUS, B.Sc. Thesis, 2013 102.6. Lokalisierung von Wärmebrücken
Wärmebrücken können an vielen verschiedenen Stellen in einem Haus vorhanden sein. Deshalb ist
es sehr wichtig vor Beginn der Simulation zu wissen, wo sich genau diese Schwachstellen befinden
und dass wirklich alle berücksichtigt werden. Auf der Website KFW-Förderbank findet sich die
Broschüre der DENA zu „Wärmebrücken in der Bestandssanierung“ 13 im PDF-Format mit folgender
Aufstellung von möglichen Stellen, an denen höhere Wärmeströme auftreten können:
1 Bodenplatte Keller
1.01 Anschluss Kellerwand
1.02 Anschluss Innenwand
1.03 Anschluss Innenwand gegen unbeheizt
2 Bodenplatte auf Erdreich
2.01 Sockel, Anschluss Außenwand
3 Kellerwand
3.01 Außenecke
3.02 Innenecke
3.03 Anschluss Innenwand
3.04 Anschluss Innenwand gegen unbeheizt
4 Kellerdecke
4.01 Auflager, Keller beheizt
4.02 Auflager, Keller unbeheizt
4.03 Auflager Kellerfenster, Keller unbeheizt
4.04 Auflager Anschluss Bodenplatte, Keller beheizt
4.05 Auflager Anschluss Bodenplatte, Keller unbeheizt
Abbildung 8 - Seitenschnitt eines Wohnhauses 4.06 Anschluss Innenwand
4.07 Anschluss Innenwand gegen unbeheizt
5 Außenwand
5.01 Außenecke
5.02 Innenecke
5.03 Anschluss Innenwand
5.04 Innenecke mit Innenwandanschluss
6 Geschossdecke
6.01 Deckenauflager
6.02 Balkonplatte
6.03 Anschluss Flachdach
7 Oberste Geschossdecke
7.01 Deckenauflager
7.02 Deckenauflager im Traufbereich
7.03 Durchstoßende Innenwand
7.04 Durchstoßende Innenwand gegen unbeheizt
7.05 Anschluss Innenwand an Kehlbalkenlage
Abbildung 9 - Grundriss eines Stockwerks 7.06 Anschluss Innenwand gegen unbeheizt
7.07 Anschluss Außenwand
8 Dach
8.01 Traufe
8.02 Traufe mit Kniestock
8.03 Ortgang
8.04 Mittelpfette, Anschluss Kehlbalkenlage
9 Flachdach
9.01 Attika
10 Innenwand
10.01 Innenwandanschluss gegen unbeheizt
11 Fenster
11.01 Fenstertürschwelle gegen Kellerdecke unbeheizt
11.02 Fenstertürschwelle Balkon
11.03 Fenstertürschwelle Flachdach
11.04 Brüstung
Abbildung 10 - Grundriss des Kellers 11.05 Laibung
11.06 Sturz
11.07 Sturz mit Rolladenkasten
13
Deutsche Energie-Agentur (2008): Wärmebrücken in der Bestandssanierung. https://www.kfw.de/inlandsfoerderung
/Dokumente/PB/Bestandsimmobilien/ Leitfaden-W%C3%A4rmebruecken-in-der-Bestandssanierung.pdf(20.08.2013)
© Martin Claus Müller – Technische Universität Darmstadt – ENERGIE & HAUS, B.Sc. Thesis, 2013 11Sie können auch lesen
