GLASWELT Ausgabe: 06-2011

Einfluss der Energieströme am Bauteil Fenster

Was bringt das Zehntel beim U-Wert?

Kennwerte zur Bestimmung des ­Wärmedurchgangskoeffizienten Fenster UW

Die wärmetechnischen Anforderungen werden in nächster Zeit weiter steigen – die Neuauflage der EnEV steht bereits 2012 auf dem Plan. Die Autoren zeigen in diesem Beitrag, mit welchen Maßnahmen Rahmenwerkstoffe, Verglasung und Abstandhalter auch der künftigen Gesetzgebung standhalten können. Zusätzlich werfen sie einen Blick auf die Energieströme beim Fenster: Wie viel Watt Strahlungs- und Heizenergie werden gewonnen bzw. benötigt?

  1. Teil: Was bringt das Zehntel beim U-Wert?
  2. Teil: Die Autoren

Das DIBt hat Anfang 2010 die Festlegung getroffen, dass die Anforderungen beim Bauteilverfahren gemäß EnEV 2009 erfüllt sind, wenn die mit drei wertanzeigende Stellen genannten Anforderungen an den Wärmedurchgangskoeffizienten für Fenster- und Fenstertüren mit zwei wertanzeigenden Stellen nachgewiesen sind. Dies gilt auch für die in der Unternehmererklärung abzugebende Bestätigung. Am Beispiel Fenster sind die Anforderungen bei der energetischen Sanierung gemäß EnEV (Bauteilverfahren) mit 1,30 W/m2K dann erfüllt, wenn ein Wert von 1,3 W/m2K nachgewiesen wird.

Zurzeit wird die EnEV mit dem Ziel erneut überarbeitet, die Anforderungen weiter zu erhöhen, um die Klimaziele der europäischen „Energy Performance Directive“ zu erreichen. Für Fenster wird ein Bauteilkennwert UW-Wert zwischen 0,90 und 1,0 W/m2K diskutiert. Im Rahmen der KfW-Förderungen gilt seit dem 1. März 2011 für die Förderungen von Einzelmaßnahmen im Sanierungsfall (Programm 430) bereits heute ein UW-Wert des Fensters von 0,95 W/m2K. Auch für die Förderung von Neubauten werden mit den Energiestufen KfW 55 bzw. KfW 40 die Anforderungen an die Wärmedämmung verschärft.

Welche Komponente bringt wie viel?

Die wärmetechnische Qualität eines Fensters ergibt sich aus der Bewertung und Bestimmung der Einzeldaten von Rahmenprofil (Uf-Wert), Verglasung (Ug-Wert) und dem längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizient des Abstandhalterprofils der Isolierverglasung (ψ-Wert). Den wärmetechnisch größten Einfluss auf den UW-Wert des Fensters nimmt wegen des großen Flächenanteils die Verglasung ein. Ändert man nun die einzelnen Komponenten eines Fensters, so ist deren wärmetechnische Auswirkung auf den Gesamt UW-Wert des Fensters unterschiedlich. In der DIN EN14351-1 wird zur Vereinfachung ein Standardmaß von 1,23 x 1,48 m definiert, auf das sich alle nachfolgenden Beispiele beziehen und das als „Normfenster“ bezeichnet wird. Beim „Normfenster“ kann eine Verringerung des Wärmedurchgangskoeffizienten UW in Höhe von 0,1 W/m2K wie folgt erreicht werden:

Verbesserung der Verglasung um ΔUg = 0,2 W/m2K

Verbesserung des Rahmenprofils um ΔUf = 0,3 W/m2K

Verbesserung des Abstandhalterprofils um Δψ = 0,04 W/mK

Es ist zu erwarten, dass ab 2012 die Fensterkonstruktionen mit einer 3-fach-Isolierverglasung ausgeführt werden müssen, um die neuen Anforderungen der EnEV 2012 zu erfüllen. Hier werden zurzeit Uw-Werte zwischen 1,0 und 0,9 W/m2K diskutiert. Rahmenprofile werden im Bereich der Dämmzone ausgereizt sein und die Abstandhalterprofile werden standardmäßig als „warme Kante“ ausgeführt werden müssen.

Rahmenprofile

Für „Normfenster“ mit einer Zweifach-Isolierverglasung Ug = 1,1 W/m2K und warmer Kante ist ein Uf-Wert von 1,3 W/m2K erforderlich, um ohne Dreifachglas die Anforderungen der EnEV 2009 zu erfüllen. In Zukunft müssen sich die Uf-Werte der Rahmen weiter verbessern, damit auch die erwarteten Anforderungen der EnEV 2012 erfüllt werden können, denn mit einer 3-fach Isolierverglasung (Ug = 0,7 W/m2K) und warmer Kante muss das Rahmenprofil schon einen Uf-Wert von 1,2 W/m2K haben, um einen Uw-Wert von 0,95 W/m2K oder niedriger zu erreichen. Im Grenzbereich können die energetischen Zielwerte manchmal auch durch ein optimiertes Nachweisverfahren erreicht werden, beispielsweise durch eine Messung von Rahmenprofilen, die in der Regel günstigere Ergebnisse liefert.

Zurzeit werden bestehende Profilkonstruktionen optimiert, beispielsweise die Veränderung des Glaseinstandes von 15 mm auf 18 mm oder die Erhöhung der Füllungsdicke auf 36 mm, mit der dann auch der Einsatz einer Dreifachverglasung erleichtert wird. Als Faustformel kann je mm Mehreinstand der Verglasung eine Verbesserung von ΔUf = 0,01 W/m2K erreicht werden. Die Füllungsdicke beeinflusst das Ergebnis um ΔUf = 0,01 W/m2K je 2 mm Dickenänderung. Diese Maßnahmen werden alleine jedoch nicht ausreichen, um die Anforderungen der EnEV 2012 zu erfüllen.

Holzrahmen

Mit der Neuausgabe der prEN ISO 10077-2:2010 stehen für Holzrahmenprofile neue Wärmeleitfähigkeitswerte zur Verfügung. So können nach Einführung der Norm auch bei einem rechnerischen Nachweis Uf-Werte von 1,3 W/m2K mit einer Rahmenprofildicke von 68 mm erreicht werden. Der Trend geht dennoch zu größeren Profiltiefen, die das Dämmverhalten verbessern und den Einsatz von Dreifachverglasungen mit Sonderfunktionen ermöglichen (Einbruchhemmung, Schallschutz oder Absturzsicherung). Bei Verbundprofilen werden Dämmstoffe mit deutlich niedrigeren Wärmeleitfähigkeiten eingesetzt. Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass neue Holzarten mit niedriger Wärmeleitfähigkeit durch eine thermische oder chemische Modifizierung für den Einsatz im Fensterbau geeignet sind. Die Verwendung von thermisch getrennten oder außenliegenden Regenschutzschienen kann das betreffende Profil im Vergleich zu thermisch ungetrennten Schienen bis zu 0,3 W/m2K verbessern.

Kunststoffrahmen

Aktuell gelten in Deutschland Fünfkammerprofile als wärmetechnischer Standard. Auch mit einer klassischen Stahlaussteifung und einer Anschlagdichtung können Uf-Werte von 1,3 W/m2K erreicht werden. Die wärmetechnische Schwachstelle bei Kunststoffprofilen ist häufig die Stahlaussteifung. Neben wärmetechnisch optimierten oder getrennten Stahlaussteifungen geht der Trend deshalb zu Konstruktionen ohne Stahlaussteifung. Dies ist durch Glasverklebungen im Flügelprofil oder den Einsatz von modifizierten Kunststoffen mit höherer Festigkeit möglich. Damit kann häufig auf Stahlaussteifungen verzichtet werden – die Profile werden schlanker und der Glasanteil wird größer, sodass auch mehr Sonnenenergie genutzt werden kann.

Metallrahmen

Eine energetische Optimierung bei Metallrahmen erfolgt im Bereich der Dämmzone. Die maximale Steghöhe im Einstegverbund ist hierbei nahezu ausgereizt. Mit dünneren Stegdicken können noch geringfügige Verbesserungen erreicht werden, was aber zu statischen Problemen führen kann. Im Bereich der Dämmzone und im Glasfalzbereich werden Dämmstoffe mit niedrigeren Wärmeleitfähigkeiten eingesetzt, so- dass Rahmenprofile mit einer Ansichtsbreite von ca. 100 mm in Verbindung mit einer wärmetechnisch optimierten Mitteldichtung Wärmedurchgangskoeffizienten von Uf = 1,4 W/m2K errei-chen können. Schmalere Ansichtsbreiten führen zu ungünstigeren Werten. Um die Anforderungen der EnEV 2009 zu erreichen, müssen bereits heute 3-fach-Verglasungen eingesetzt werden.

Isolierverglasung

Die Anforderungen der EnEV 2009 lassen sich noch mit Zweifachverglasung und optimierten Rahmenprofilen (Uf-Wert 1,3 W/m2K) erreichen. Für bessere Uw-Werte etabliert sich das 3-fachGlas mit einem Ug-Wert von 0,7 W/m2K. Die Ug-Werten von bis zu 0,5 W/m2K, mit Krypton- oder Xenonfüllung werden aus Vertriebsgründen gerne kommuniziert, sind aber in der Praxis selten zu finden, da diese Edelgase knapp und teuer sind. Durch den Einsatz von zwei Beschichtungen mit optimiertem Emmissionsgrad und größerem Scheibenzwischenraum (SZR) lassen sich auch mit einer Argonfüllungen Ug-Werte von 0,6 W/m2K erreichen.

Abstandhalter

Die ψ-Werte von Abstandhaltern in der Standardausführung (Aluminium) wie auch wärmetechnisch verbesserte Systeme können tabellarisch der EN ISO 10077-1:2006 entnommen werden. Alternativ besteht die Möglichkeit ψ-Werte für wärmetechnisch verbesserte Abstandhalterprofile den „BF Datenblättern“ zu entnehmen. Im Rahmen einer Untersuchung wurden unterschiedliche wärmetechnisch optimierte Abstandhalterprofile in Verbindung mit vier repräsentativen Rahmenprofilmaterialien und einer 2-fach- bzw. 3-fach-Isolierverglasung untersucht. Die Datenblätter geben tabellarisch den ψ-Wert des Abstandhalters in Verbindung mit dem Rahmenprofil und der Isolierverglasung an. Die dadurch ermittelten ψ-Werte können in der Regel auf die Systemrahmenprofile übertragen werden. Dadurch können spezifische ψ-Werte für den Nachweis der UW-Werte angesetzt werden. Das Vorgehen ist in der ift Richtlinie WA-08/1 beschrieben. Die BF Datenblätter stehen kostenfrei im Internet zur Verfügung ( http://www.bundesverband-flachglas.de/shop/kostenfreie-downloads/bf-datenblaetter/ ).

Energieströme beim Fenster

Bei einem Fenster treten unterschiedliche „Energieströme“ auf. Die Größe und die Richtung hängt dabei wesentlich von Randbedingungen wie Lufttemperatur auf der Innen-/Außenseite, der Windgeschwindigkeit und der solaren Ein-strahlung ab.

Wärmedurchgangskoeffizient UW: Die eingangs beschriebenen Einzelmaßnahmen können in der Regel nur Veränderungen des Wärmedurchgangskoeffizienten ΔUW von 0,1 W/m2K bewirken. Nur eine sinnvolle Kombination mehrerer Maßnahmen führt zu größeren Verbesserungen von UW. Ein „Normfenster“ mit einem UW-Wert von 1,3 W/m2K hat bei einer Temperaturdifferenz von 32°C (Normaußentemperatur für Würzburg, gemäß Beiblatt 1 DIN EN 12831, „Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast“) einen Wärmeverlust von 76 Watt. Weitere Wärmeverluste wie über den Wandanschluss sind in dieser Zahl nicht berücksichtigt. Somit müsste, ohne Berücksichtigung der übrigen Wandflächen, mit 76 Watt permanent nachgeheizt werden, um die Raumlufttemperatur konstant zu halten. Ein Fenster mit einem UW-Wert von 0,9 W/m2K benötigt bei gleichen Randbedingungen eine konstante Leistung von 52 Watt und spart somit 24 Watt Heizenergie. Bei Annahmen des deutschen Normklimas ließen sich bei einem Haus mit 40 m2 Fenster fläche pro Jahr ca. 200 Liter Erdöl sparen.

Solare Zugewinne: Die Sonne liefert im Idealfall bei klarem Himmel ca. 1000 W/m2 Strahlungsleistung, bezogen auf einen senkrechten Einstrahlungswinkel. Ein Normfenster mit 1,23 x 1,48 m und einem Rahmenanteil von 30 % hat eine Verglasungsfläche von ca. 1,23 m2 und kann bei einem Ug-Wert von 0,61 einen maximalen Energieeintrag von ca. 750 W erreichen. Der Energieeintrag durch solaren Zugewinn kann im Vergleich zum Wärmeverlust somit um den Faktor 20 hö-her liegen. Moderne Fenster mit Dreifachverglasung bringen auf der Süd-, Ost und Westseite spürbare Gewinne, die die Wärmeverluste überwiegen und so den Heizwärmebedarf des Gebäudes verringern.

Wärmeverluste durch den Baukörperanschluss: Wird ein Fenster in ein Gebäude eingebaut entsteht im Übergangsbereich zur Außenwand eine Wärmebrücke. Der Energieverlust über diese Wärmebrücke wird über den ψ-Wert angegeben. Diese werden im einfachsten Fall nach EnEV 2009 ohne Nachweis über einen pauschalen Aufschlag von ΔU = 0,1 W/m2K auf die gesamte Gebäudehülle berücksichtigt. Bei einer Ausführung gemäß den konstruktiven Beispielen aus dem Beiblatt 2 der DIN 4108 kann ein reduzierter pauschaler Aufschlag von ΔU = 0,05 W/m2K auf die gesamte Gebäudehülle angesetzt werden. Nach Beiblatt 2 werden Referenzwerte für den Nachweis der Gleichwertigkeit für Baukörperanschlüsse Fensterrahmen zur Wand von ψ ≤ 0,08 W/mK angegeben. Wärmetechnisch optimierte Baukörperanschlüsse, beispielsweise bei der Überdämmung des Blendrahmens, können kleinere oder sogar negative Werte erreichen. Energetisch ist eine Optimierung des Baukörperanschlusses eines „Normfensters“ um 0,12 W/mK energetisch gleichwertig zu einer Verbesserung des Uw-Wertes von ΔUW = 0,4 W/m2K.

Zusammenfassung

Mit der Neufassung der EnEV 2012 werden die energetischen Anforderungen weiter steigen. Die Anforderung bei der energetischen Gebäudesanierung an das Einzelbauteil Bauteil Fenster wird zurzeit diskutiert und bei einem UW-Wert zwischen 0,90 und 1,0 W/m2K liegen. Die Hersteller sind somit gut beraten bereits heute ihre Fensterkonstruktionen weiter zu entwickeln, um für 2012 wettbewerbsfähig zu sein. Bei einer Betrachtung des gesamten Gebäudes sollten alle Aspekte von Fenstern und Fassaden betrachtet werden, das heißt optimierter Wärmeschutz des Fensters, ein wärmebrückenfreier Einbau, die solaren Gewinne und eine effiziente natürliche Lüftung mit nutzerunabhängiger Lüftungsmöglichkeit zum Feuchteschutz.

  • Innovative Fensterkonstruktionen nutzen Klebetechnologien
  • Kennwerte von 3-fach-Isolierglas
  • Energieströme bei Fenster und Verglasungen

Literatur

  1. Teil: Was bringt das Zehntel beim U-Wert?
  2. Teil: Die Autoren
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