Aktuelle und zukünftige Vorgaben der Energieeinsparverordnung (EnEV) [1] sowie steigende Energiekosten erfordern immer energieeffizientere Bauweisen. Zusätzlich werden Anreize durch staatliche Fördermaßnahmen [2] gegeben. Da hierfür sowohl bei Neubauten als auch im Bereich der energetischen Gebäudesanierung die Anforderungen an einzelne Bauprodukte steigen, müssen auch Fenster- und Außentür-elemente weiterentwickelt und deren Wärmedurchgangskoeffizienten (Uw-Werte) verbessert werden. Die absehbaren Verschärfungen der Verordnungen [3, 4] verlangen, dass sowohl die Verglasungen als auch die Wärmedurchgangskoeffizienten der Fensterrahmen (Uf-Werte) deutlich verbessert werden.
Speziell die klein- und mittelständisch strukturierte Holzfensterbranche sieht sich im Zusammenhang mit den steigenden energetischen Anforderungen einer besonderen Herausforderung gegenüber. Durch den in den letzten Jahren rückläufigen Marktanteil fehlen oftmals die erforderlichen Kapazitäten, um neue Konstruktionen zu entwickeln. Daher wurde am ift Rosenheim das Forschungsvorhaben „Nachhaltige Optimierung von Holzfensterprofilen zur Erreichung der Anforderungen der EnEV 2012“ durchgeführt. Dabei suchte man nach Konzepten, wie sich der Wärmeschutz von Holzfensterprofilen weiter optimieren und in der Praxis umsetzen lässt, um die steigenden Anforderungen unter Berücksichtigung aller fenstertechnischen und gestalterischen Anforderungen zu erfüllen.
Aktuelle und künftige Anforderungen
Das Anforderungsniveau der EnEV bezüglich des Uw-Wertes ist in den letzten Jahren permanent gestiegen – weitere Verschärfungen sind zu erwarten [1, 3, 4]. Zu unterscheiden sind dabei generell Anforderungen an den Primärenergiebedarf für Neubauten beziehungsweise bauteilbezogene Grenzwerte für Bestandsbauten, wie sie zum Beispiel an die Uw-Werte von Fenstern gestellt werden. Aktuell fordert die EnEV 2009 bezüglich des Bauteilverfahrens einen Uw-Wert von 1,3 W/(m² K). Für die nächste Stufe der EnEV im kommenden Jahr ist mit einer Verschärfung um circa 30 Prozent bezogen auf den Primärenergiebedarf zu rechnen, was in puncto Bauteilverfahren etwa einem Uw-Wert zwischen 0,9 und 1,1 W/(m² K) entspricht.
Mit der übernächsten Stufe der EnEV im Jahr 2015 ist mit einer Verschärfung des Primärenergiebedarfs um weitere 30 Prozent zu rechnen, was dann einem Uw-Wert von circa 0,8 W/(m² K) entsprechen dürfte. Zielsetzung der Bundesregierung bis 2020 ist für den Neubau das „Nullenergiehaus“. Diese Anforderung dürfte sich aber auf den Primärenergiebedarf eines Gebäudes beziehen. Im Hinblick auf das Bauteilverfahren ist eine Beibehaltung der Uw-Werte für Fenster im Bereich von 0,8 W/(m² K) realistisch.
Neben den Anforderungen der EnEV beeinflussen auch die in Deutschland verfügbaren Förderprogramme der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) den Markt. Damit ein Gebäude oder Einzelmaßnahmen gefördert werden können, dürfen bestimmte Grenzwerte für das gesamte Bauwerk oder für spezifische Bauelemente nicht überschritten werden [2]. Für den Fall, dass komplette Fenster durch solche mit Mehrscheiben-Isolierglas ersetzt werden (Sanierungsfall), liegt die Mindestanforderung der KfW bei Uw ≤ 0,95 W/(m² K). Die Voraussetzung für eine Förderung entspricht also schon jetzt etwa dem Anforderungsniveau der nächsten EnEV-Stufe.
Vorgehensweise und Ansätze der Forschungsarbeit
Die bisherigen Möglichkeiten und Lösungen für hochwärmedämmende Fensterelemente sind zumeist recht aufwändig und unflexibel, da sie ausschließlich den Wärmeschutz im Fokus haben. Im Rahmen des Projektes wurde daher zunächst ein umfangreiches Pflichtenheft erstellt. Darin wurden neben den Anforderungen an die technischen Eigenschaften auch Konstruktionsdetails und gestalterische Aspekte hinterfragt, um daraus Vorgaben für das „Holzfenster 2012“ abzuleiten.
Um Aussagen zu weiteren Konstruktionsvorgaben treffen zu können, mussten zunächst die zukünftig erforderlichen Uf-Werte ermittelt werden. Diese hängen von den angestrebten Uw-Werten und den Ug-Werten (Wärmedurchgangskoeffizienten der Verglasung) ab (Bild 3). Die berechneten Werte beziehen sich auf ein Holzfenster der Größe 1,23 m x 1,48 m mit einem Rahmenanteil von 30 Prozent sowie wärmetechnisch optimiertem Glasrandverbund.
Auf Basis der ermittelten beziehungsweise benötigten Uf-Werte wurden durch breit angelegte Berechnungen die wärmetechnischen Grenzen von reinen Holzfensterkonstruktionen sowie von optimierten Rahmen mit integrierten Dämmstoffen aufgezeigt.
Im Fokus waren auch neue, noch nicht marktreife Holzfenstersysteme. Diese wurden im Neuzustand sowie nach künstlicher Alterung auf ihre grundlegenden Leistungseigenschaften (Luftdurchlässigkeit, Schlagregendichtheit, Widerstandsfähigkeit gegen Windlast) hin untersucht. Für weitergehende wärmetechnische Verbesserungen wählten die Forscher einige Konzepte und Herangehensweisen aus und betrachteten diese tiefergehend. Konstruktionsideen wurden umgesetzt und innovative Profilaufbauten mit Dämmstoffen und/oder modifizierten Hölzern untersucht, wie zum Beispiel die Idee eines Integralfensters (Bild 2). Außerdem hinterfragte das Team, wie gebrauchstauglich und leistungsfähig solche Fensterkonstruktionen überhaupt sind und welchen Einfluss solche Lösungen auf die Holzfensterfertigung haben.
Erkenntnisse zur wärmetechnischen Verbesserung
Um den steigenden Anforderungen an den Wärmeschutz gerecht zu werden, können bei Holzfenstersystemen künftig Rahmendicken von mindestens 90 Millimetern in Verbindung mit 3-fach-Mehrscheiben-Isolierglas als Standard angesehen werden. Wichtig bei der Entwicklung und Einführung solcher Systeme ist die permanente und frühzeitige Abstimmung mit Beschlag-, Dichtprofil- und Werkzeugherstellern sowie allen anderen beteiligten Zulieferern.
Massivholzquerschnitte lassen sich durch das Einbringen von Dämmstoffen in den Blendrahmen einfach und effektiv verbessern, der fertigungstechnische Aufwand ist gering.
Die Dämmstoffe können bei Bedarf, unabhängig von der Fensterform (zum Beispiel schräg, rund), in eine Nut im Blendrahmenrücken eingebracht werden. Das Konzept ist sehr flexibel und kann auch von handwerklich orientierten Herstellern angewendet werden.
Sehr gute Perspektiven für wärmetechnische Verbesserungen von Holzfenstern bieten modifizierte Hölzer beziehungsweise Hölzer mit geringer Rohdichte und niedriger Wärmeleitfähigkeit (Bild 1). Diese könnten beispielsweise im Mittelbereich der Fensterkanteln eingesetzt werden. Im Vergleich zur Integration von Dämmstoffen lassen sich mit dieser Lösung alle Rahmenteile (Pfosten, Riegel, Sprossen usw.) verbessern. Der Verzicht auf Dämmstoffe bringt zudem Vorteile bei Konstruktion, Fertigung und Entsorgung.
Im Rahmen des Vorhabens wurden dazu einige Hölzer mit geringer Rohdichte ausgewählt (Bild 4), beispielsweise die heimische Pappel und Tanne, aber auch außereuropäische Sorten. Neben der Rohdichte war für die Holzauswahl auch eine ausreichende Verfügbarkeit wichtig. Es wurden einige Werte der Wärmeleitfähigkeiten von leichten Hölzern bestimmt, die nun als Orientierung dienen. Natürlich wurde auch untersucht, inwieweit sich die Eigenschaften dieser Holzarten für die Fensterherstellung eignen, beispielsweise was die Dauerhaftigkeit oder Festigkeit angeht.
Im Weiteren wurde auch der Einfluss von Modifizierungsverfahren auf die Wärmeleitfähigkeit der Hölzer ermittelt. Dazu wurden Hölzer derselben Charge sowohl mit Modifizierung als auch in naturbelassenem Zustand analysiert. Zur Untersuchung wurden drei Kombinationen unterschiedlicher Modifizierungsverfahren und Holzarten ausgewählt, die derzeit für Holzfenster im Gespräch sind.
Die verschiedenen Modifizierungsverfahren beeinflussen die Rohdichte, die Ausgleichsfeuchte und die Wärmeleitfähigkeit unterschiedlich. In Bild 5 sind die Wärmeleitfähigkeiten der modifizierten Hölzer in Abhängigkeit von der Rohdichte bei Ausgleichsfeuchte dargestellt.
Auf Basis der Untersuchungen im Vorhaben und im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit erscheint die thermische Modifizierung am Beispiel der Pappel besonders interessant. Die weiteren Holzeigenschaften von thermisch modifizierten Hölzern sind – den Erkenntnissen der anschließenden orientierenden Untersuchungen des Forschungsvorhabens nach – sehr vielversprechend. Unter Vorbehalt sind dabei die Erfolgsaussichten auch auf andere thermisch modifizierte Holzarten übertragbar. Ob sich diese für die Fensterherstellung und in der Praxis schlussendlich eignen, bedarf weiterer Untersuchungen.
Eine Kombination der Konzepte „Dämmstoffe im Blendrahmen“ und „modifizierte Hölzer“ erscheint in vielen Bereichen aussichtsreich. Die im Vorhaben untersuchten Konstruktionen mit wärmetechnischen Verbesserungen haben nur einen geringen Einfluss auf die maßgeblichen Leistungseigenschaften der Fenster gezeigt. Zudem haben beide Konzepte einen sehr geringen Einfluss auf gestalterische Aspekte und die Machbarkeit unterschiedlicher Fenstertypen.
Großes Entwicklungspotenzial bieten innovative Verglasungssysteme, beziehungsweise Integralfenster (Bild 2). Damit lassen sich Ansichtsbreiten minimieren, was gestalterische Vorteile mit sich bringt. Der innerhalb der Projektarbeit gefertigte und untersuchte Prototyp zeigte vielversprechende grundlegende Leistungseigenschaften (Luftdurchlässigkeit, Schlagregendichtheit, Widerstandsfähigkeit gegen Windlast) sowie ausreichende statische und sehr gute wärmetechnische Eigenschaften.
Ein wesentlicher Teil der Ergebnisse aus den Untersuchungen zur nachhaltigen Optimierung von Holzfensterprofilen hinsichtlich der Anforderungen der EnEV 2012 ist in einer Tabelle zusammengefasst, die im Internet unter https://www.glaswelt.de/ nach Eingabe des Webcodes 1085 im Suchfeld oben rechts heruntergeladen werden kann. Darin sind auch Konstruktionsbeispiele aufgeführt. Die jeweiligen Konstruktionen sind im Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben detailliert beschrieben. Alle aufgeführten Beispiele erfüllen die aktuellen Anforderungen der KfW beziehungsweise die vermutlich in der EnEV 2012 geforderten Grenzwerte.
Zusammenfassung und Ausblick
Mit Holzfenstern sind die Anforderungen der EnEV 2012 sowie die aktuellen Anforderungen der KfW erreichbar. Dabei können Rahmendicken von mindestens 90 Millimetern in Verbindung mit 3-fach-Mehrscheiben-Isolierglas künftig als Standard angesehen werden. Darüber hinaus stehen schon heute einige Konzepte für die Konstruktion von hochwärmedämmenden Holzfensterprofilen beziehungsweise für das „Holzfenster 2012“ zur Verfügung.
Der ausführliche Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben kann über die Website des ift Rosenheim ( https://www.ift-rosenheim.de ) im Bereich Literatur/Forschungsberichte zum Preis von 39 Euro bestellt werden. Für ift- sowie ifz-Mitglieder steht der Forschungsbericht im Mitgliederbereich der ift-Website unter „Forschungsarchiv“ kostenlos zum Download zur Verfügung. —
Das Forschungsvorhaben wurde mit Mitteln der Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesamtes für Bauwesen und Raumordnung gefördert. Besonderer Dank gebührt auch den unterstützenden Industriepartnern in der FLG Fenster-Leistungsgemeinschaft GmbH (Huber & Sohn GmbH & Co. KG, Menck Fenster GmbH, rekord-fenster+türen GmbH & Co. KG, Schillinger GmbH, Stöckel GmbH, Süd-Fensterwerk GmbH & Co. KG).
Literatur
[1] Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden (Energieeinsparverordnung – EnEV). Energieeinsparverordnung vom 24. Juli 2007 (BGBl. I S. 1519), die durch Artikel 1 der Verordnung vom 29. April 2009 (BGBl. I S. 954) geändert worden ist
[2] Merkblatt Bauen, Wohnen, Energie sparen; Energieeffizient Sanieren – Kredit. Programmnummer 152 (Einzelmaßnahmen oder Maßnahmenkombinationen). KfW Bankengruppe, Frankfurt
[3] Richtlinie 2010/31/EU des europäischen Parlaments und des Rates vom 19. Mai 2010 über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (Neufassung). European directive energy performance of buildings EPBD
[4] Energieeinsparverordnung (EnEV) Änderungen der Energieeinsparverordnung durch die EnEV 2009. Informationen des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung ( http://www.bmvbs.de )
