Wärmebrückenberechnung zur Zertifizierung des ...fenestra-info.de/wp-content/files/Dr. Feist_1.pdf · Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens energeto ® 8000 | foam inside

PASSIV

HAUS

INSTITUT Dr. Wolfgang Feist

Wärmebrückenberechnung zur Zertifizierung des Fensterrahmens

energeto ® 8000 | foam inside als Passivhaus geeignete

Komponente

im Auftrag der Firma aluplast GmbH Auf der Breit 2

76227 Karlsruhe

PASSIVHAUS INSTITUT Rheinstr. 44/46 D-64283 Darmstadt Tel: 06151 8 26 99-0 Fax: 06151 8 26 99-11

Bericht März 2011

Autor: Esther Gollwitzer

Bericht zur Zertifizierung des Fensterrahmens energeto ® 8000 | foam inside der Firma aluplast GmbH in 76227 Karlsruhe

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Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung................................................................................................................... 3

2. Vorgaben zur Wärmebrückenberechnung Fensterrahmen......................................... 4

3. Modellbildung für den Randverbund .......................................................................... 6

4. Zertifizierte Rahmenkonstruktion ............................................................................... 7

5. Ergebnisse der Wärmestromberechnungen............................................................... 8

6. Berechnungsergebnisse im Überblick........................................................................ 9

7. Fenster-U-Werte für verschiedene Formate............................................................. 10

8. Einbausituationen .................................................................................................... 11

9. Abschließende Bewertung ....................................................................................... 15

10. Anhang: Konstruktionszeichnungen......................................................................... 16


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1. Einleitung Passivhäuser stellen aufgrund der Möglichkeit, auf ein separates Heizsystem zu verzichten, hohe Anforderungen an die Qualität der verwendeten Bauteile. Sieht man keine gezielte Heizwärmezufuhr unter den Fenstern vor, darf der Wärme-durchgangskoeffizient der verwendeten Fenster (Fenster-U-Wert) Uw nicht größer als 0,80 W/(m²K) sein, damit es nicht zu störendem Strahlungswärmeentzug und Kaltluftabfall am Fenster kommt. Daraus ergeben sich bei gegebener Verglasungsqualität Grenzen für den Wärmebrückenverlustkoeffizienten im Bereich des Fensterrahmens. Vom PHI wurden folgende Anforderungen für das Zertifikat "Passivhaus geeignete Komponente - Fensterrahmen" festgesetzt:

Uw ≤ 0,80 W/(m²K) Uw ist der mittlerer Wärmedurchgangskoeffizient für das gesamte Fenster bei Verwendung einer Verglasung mit Ug = 0,70 W/(m²K). Dabei beträgt die Größe des Fensters 1,23 m x 1,48 m.

Uw,eingebaut ≤ 0,85 W/(m²K) Uw,eingebaut ist der Fenster-U-Wert für ein eingebautes Fenster (Größe: 1,23 m x 1,48 m). Dieses Kriterium muss für folgende Einbauvarianten eingehalten werden: Einbau in eine Passivhaus geeignete Massivwand mit Wärmedämmverbundsystem (WDVS), in eine Passivhaus geeignete Holzbauwand und in eine Passivhaus geeignete Wand aus Betonschalungssteinen. Im Auftrag der Firma aluplast GmbH in 76227 Karlsruhe hat das Passivhaus Institut für einen wärmegedämmten Fensterrahmen mit dem Produktnamen energeto ® 8000 | foam inside die thermischen Kennwerte für ein Fenster (Standardmaß: 1,23 m × 1,48 m) auf der Grundlage der DIN EN 10077 berechnet. Dieser Rahmen ersetzt den bereits zertifizierten Rahmen mit gleichem Namen. Der Fensterrahmen besteht aus Kunststoffprofilen mit teilweise gedämmten Hohlräumen. Die Armierung besteht aus Polyamid. Es kommt der Abstandhalter Swisspacer V zum Einsatz, für den im Berechnungsmodell eine thermisch gleichwertige Ersatzkonstruktion angesetzt wurde. Die Berechnungen wurden mit dem Wärmestromprogramm Bisco (9.0) der Firma Physibel, Belgien, durchgeführt. Der vorliegende Bericht dokumentiert die Ergebnisse.


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2. Vorgaben zur Wärmebrückenberechnung Fensterrahmen

In der folgenden Tabelle sind die in der Berechnung verwendeten Materialien mit ihren Wärmeleitfähigkeiten und der für die Darstellung gewählten Farbe aufgelistet. Quellen für die Wärmeleitfähigkeiten sind Firmenangaben bzw. einschlägige Normen. Die äquivalente Wärmeleitfähigkeit von Hohlräumen wurde gemäß DIN EN 10077-2 ermittelt. Tabelle 1: Wärmeleitfähigkeiten und für die Berechnungsmodelle verwendete Farben der eingesetzten Materialien.

Farbe l l l l

W/mK

Bezeichnung

0,17 PVC, hart0,30 Polyamid (PA)

50 Stahl160 Aluminium/SI-Legierung1,0 Kalksandstein

0,51 Innenputz/Gipsfaserplatte3,5 Marmor

0,04 Mineralfaser2,3 Stahlbeton

0,17 Holzwerkstoffplatte ~700kg/m³ (Sperrholz, Spanplatte, MDF)0,70 Außenputz0,19 Swisspacer V Ersatz 0,40 Polysulfid0,10 Molekularsieb0,19 GFK0,06 Vorlege-/Kompriband (Einbaufuge Fenster)0,031 Wärmedämmung 0310,29 2,2x Weichholz ~500kg/m³ (Wärmestrom in Faserrichtung)0,030 Wärmedämmung 030

1 Glas0,13 Weichholz ~500kg/m³0,14 PVC, weich0,19 Verklebung


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Für die 3-fach-Wärmeschutzverglasung wird bei den Berechnungen im Zuge der Zertifizierung generell ein Glas-U-Wert von Ug = 0,7 W/(m²K) angesetzt. Um das Zertifikatskriterium Uw ≤ 0,8 W/(m²K) zu erfüllen ist ein Rahmen (sowie ein Abstandhalter/Randverbund) mit einer entsprechenden thermischen Güte erforderlich. Die Randbedingungen wurden für die Berechnungen mit –10°C Außentemperatur bzw. +20°C Innentemperatur gewählt. Die Wärmeübergangskoeffizienten sind in der folgenden Tabelle aufgelistet. An den inneren Oberflächen des Fensters wurde gemäß DIN EN 10077-2 in den Ecken mit einem reduzierten Wärmeübergang von hi = 5 W/(m2K) gerechnet. Tabelle 2: Wärmeübergangskoeffizienten an den Oberflächen

Randbedingungen Wärmeübergang h [W/m²K]

Wärmeübergang zu Außenluft bei T = -10 °C 25, 00

red. Wärmeübergang, vorgehängte Fassade, T = -10 °C 7, 69

Wärmeübergang zu Innenluft bei T = +20 °C 7, 69

reduzierter Wärmeübergang zu Innenluft, T = +20 °C 5, 00


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3. Modellbildung für den Randverbund In vielen Randverbundkonstruktionen sind sehr dünne Metallfolien (etwa 0,025 bis 0,1 mm) mit hohen Wärmeleitfähigkeiten verarbeitet. Die maßstäbliche Abbildung des Abstandhalters im Berechnungsmodell wäre nur mit sehr großem numerischem Aufwand lösbar. Deshalb wurde anstatt einer hoch aufgelösten Abbildung des Abstandhalters Swisspacer V eine vereinfachte, jedoch thermisch gleichwertige Ersatzkonstruktion verwendet. Dies erlaubt eine größere Diskretisierung des Berechnungsmodells und damit einen praktikablen Rechenaufwand. Die Geometrie der Ersatzkonstruktion ist in Abbildung 1 dargestellt, die entsprechenden Wärmeleitfähigkeiten der Materialien sind in Tabelle 1 dokumentiert.

Swisspacer V

Abbildung 1: Ersatzkonstruktion für den Abstandhalter Swisspacer V


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4. Zertifizierte Rahmenkonstruktion Abbildung 2 zeigt den Schnitt 'oben/seitlich' und ‘unten‘ des zertifizierten Fensterrahmens mit einer 48 mm dicken Verglasung und dem Abstandhalter Swisspacer V. Rechts ist das zugehörige Isothermenbild dargestellt. Senkrecht zu den farbig gezeichneten Isothermen verlaufen die Wärmestromlinien. Zwischen den Linien fließt jeweils ein Wärmestrom von 0,1 W/m. Um Einzelheiten besser erkennen zu können werden in den Grafiken nur relevante Ausschnitte der Berechnungsmodelle dargestellt.

Abbildung 2: Fensterrahmen energeto ® 8000 | foam inside: Schnitt 'seitlich/oben' bzw. 'unten' mit dem zugehörigen Isothermenbild


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5. Ergebnisse der Wärmestromberechnungen Die Wärmeströme Qtotal wurden mit dem zweidimensionalen Wärmestromprogramm Bisco für jede Schnittzeichnung auf Grundlage der DIN EN 10077–1 bzw. –2 berechnet. Für jeden Schnitt wurden normgemäß jeweils zwei Berechnungen durchgeführt, einmal mit eingebauter Verglasung und einmal mit einem Eichpaneel (WLK 035) anstelle der Verglasung. Der Randeinstand und die Dicke des Paneels entsprechen denen der Verglasung. Die berechneten Wärmeströme Qtotal sind jeweils zusammen mit den entsprechenden Maßen der Schnitte in Tabelle 3 dokumentiert. Diese Zwischenergebnisse bilden die Grundlage für die Kalkulation der U- und Ψ-Werte in Tabelle 4.

Tabelle 3: Ergebnisse der Wärmeströme Qtotal für alle Schnitte (berechnet mit dem zwei-dimensionalen Wärmestromprogramm Bisco)

SchnittzeichnungHöhe des

Berechnungs-modells

Qtotal mit Scheibe bzw.

mit Paneel

[m] [W/m]

Fensterrahmen mit Glas seitl./oben lRahmen 0,119 9,57896

Fensterrahmen mit Paneel seitl./oben lGlas, Panee l 0,281 8,34926

Fensterrahmen mit Glas unten lRahmen 0,149 9,71948

Fensterrahmen mit Paneel unten lGlas, Panee l 0,251 8,53788

seitl./oben 1,41 lWand 1,01 13,82450

unten 1,41 lWand 1,01 14,47370

seitl./oben 1,126 lWand 0,726 12,90622

unten 1,126 lWand 0,726 13,41926

seitl./oben 1,41 lWand 1,01 14,11150

unten 1,41 lWand 1,01 14,74220

Eigenschaften der Verglasung Abstandhalter Swisspacer VAnzahl der Scheiben 3 StückDicke Scheibenzwischenraum 18 mmDicke Glasscheibe 4 mm

Dicke der Verglasung (= Dicke des Paneels) 48 mm

Wärmeleitfähigkeit des SZR 0,0289 W/mK

U-Wert Verglasung 0,7000 W/m²K

Eigenschaften des Paneels Wärmeleitfähigkeit des Paneels 0,035 W/mK

U-Wert des Paneels 0,6487 W/m²K

Einbau in Wärmedämmverbundsystem

Einbau in Holzbauwand

Einbau in Wand aus Betonschalungsstein

Höhen bzw. Längen der Teilflächen im

Berechnungsmodell

0,4

0,4

[m]


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6. Berechnungsergebnisse im Überblick Tabelle 4: Berechnungsergebnisse der Fensterkennwerte im Überblick

Berechnung von Fensterkennwerten durch das Passivhausinstitut

Auftraggeber aluplast GmbH Datum März 2011

Fensterrahmen energeto 8000 ® | foam inside Bearbeiter egoBeschreibung

Abstandhalter Swisspacer V

Dicke der Verglasung 48 mm

U-Wert Verglasung 0,70 W/m²K

Fenstergröße 1,48 x 1,23 m

Beurteilung von Rahmen und Glasrand

0,81 seitl./oben

0,82 unten

0,027 seitl./oben

0,027 unten

Uw [W/m²K] 0,80

fRsi=0,20 [-] 0,78

0,119 seitl./oben

0,149 unten

Beurteilung der EinbausituationU-Wert der ungestörten Wand

Wärmebrücken-verlustkoeffizient für den Einbau

U-Wert des eingebauten Fensters

UWand ΨEinbau Uw,eingebaut

[W/(m²K)] [W/(mK)] [W/(m²K)]

seitl./oben 0,013

unten 0,030

seitl./oben 0,007

unten 0,020

seitl./oben 0,007

unten 0,023

Die Fehlertoleranz für die U-Werte beträgt ± 0,02 W/(m²K) und für die y-Werte ± 0,002 W/(mK)

minimaler Temperaturfaktorbei Rsi = 0,20 m²K/W

Rahmenbreite

Kunststoffprofile mit teilweise gedämmten Hohlräumen und Armierung aus Polyamid

Wärmebrückenverlustkoeffizient am Glasrand

Wärmedurchgangskoeffizient eines nicht eingebauten Fensters

Wärmedurchgangskoeffizient des Rahmens Uf

Ψg

[W/m²K]

[W/mK]

Einbau in Wand aus Betonschalungsstein 0,143 0,830

Einbau in Holzbauwand 0,143 0,830

[mm]

Einbau in Wärmedämmverbundsystem 0,127 0,850


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7. Fenster-U-Werte für verschiedene Formate Der U-Wert Uw eines nicht eingebauten Fensters beliebiger Größe lässt sich mit folgender Formel berechnen:

Ag x Ug + Af x Uf + lg x ΨΨΨΨg Uw = Aw mit: Uw bzw. Aw U-Wert bzw. Fläche des Fensters (engl.: window) Uf bzw. Af U-Wert bzw. Fläche des Rahmens (engl.: frame) Ug bzw. Ag U-Wert bzw. Fläche der Verglasung (engl.: glas) Aw = Ag + Af

lg Länge des Glasrandes (entspricht dem Umfang der Scheibe)

ΨΨΨΨg Wärmebrückenverlustkoeffizient (Psi-Wert) des Glasrandes (abhängig u.a. von dem Glaseinstand und der thermischen Qualität des Abstandhalters)


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8. Einbausituationen

Neben dem Wärmedurchgang durch Fensterrahmen und Verglasung ist der An-schluss des Rahmens an eine Passivhaus geeignete Wand (U-Wert der Wand muss kleiner als 0,15 W/(m2K) sein) von entscheidender Bedeutung für das gesamte System. Deshalb wurden drei typische Einbausituationen, deren Ausgestaltung im Detail vom Hersteller vorgegeben wurde, auf ihre Tauglichkeit hin überprüft: 1. Einbau des Fensters in einer Mauerwerkswand mit Wärmedämmverbundsystem mit einem Regel-U-Wert von 0,127 W/(m2K) 2. Einbau des Fensters in einer Holzbauwand mit einem Regel-U-Wert von 0,143 W/(m2K) 3. Einbau des Fensters in einer Wand aus Betonschalungssteinen, d.h. eine verlorene Schalungen aus EPS, in die Beton verfüllt wird, mit einem Regel-U-Wert von 0,143 W/(m2K). Die Regel-U-Werte der ungestörten Wand, d.h. ohne Fensteröffnung, wurden ebenfalls mit Bisco berechnet. Die Höhen der Berechnungsmodelle der Einbausituationen sind in Tabelle 3 ange-geben. Auf den folgenden Seiten werden die Schnitte der oben genannten Einbausituationen gezeigt. Um Einzelheiten besser erkennen zu können, werden in den Grafiken nur relevante Ausschnitte der Berechnungsmodelle dargestellt. Die berechneten Fenster-Kennwerte sind in Tabelle 4 zusammengefasst. Der U-Wert eines eingebauten Fensters beliebiger Größe lässt sich mit folgender Formel berechnen:

AW x UW + lEinbau x ΨΨΨΨEinbau Uw,eingebaut = Aw mit: Uw bzw. Aw U-Wert bzw. Fläche des Fensters (engl.: window) lEinbau Länge des Anschlusses Fenster an Außenwand (entspricht dem Umfang des Fensters)

ΨΨΨΨEinbau Wärmebrückenverlustkoeffizient (Psi-Wert) des Anschlusses Fenster an Außenwand Bei unterschiedlichen Schnitten seitlich, oben bzw. unten müssen die unterschiedlichen Psi-Werte mit den entsprechenden Längen in die Berechnung eingehen.


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Mauerwerk mit Wärmedämmverbundsystem (WDVS) Folgende Abbildung zeigt den Einbau des Fensters 'oben/seitlich' und ‘unten‘ in einer Mauerwerkswand mit Wärmedämmverbundsystem (WDVS). Rechts ist das zugehörige Isothermenbild dargestellt. Senkrecht zu den farbig gezeichneten Isothermen verlaufen die Wärmestromlinien. Zwischen den Linien fließt jeweils ein Wärmestrom von 0,1 W/m.

Abbildung 3: Einbausituation 'oben/seitlich' und ‘unten‘ für eine Mauerwerkswand mit Wärmedämmverbundsystem und das zugehörige Isothermenbild


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Holzbauwand

Folgende Abbildung zeigt den Einbau des Fensters 'oben/seitlich' und ‘unten‘ in einer Holzbauwand. Rechts ist das zugehörige Isothermenbild dargestellt. Senkrecht zu den farbig gezeichneten Isothermen verlaufen die Wärmestromlinien. Zwischen den Linien fließt jeweils ein Wärmestrom von 0,1 W/m. Im Brüstungsbereich sind als Auflager für das Fenster punktuell Hölzer nach statischen Erfordernissen mit dazwischenliegender Dämmung angeordnet. Würde hier ein massives, durchgehendes Brett eingesetzt, würde sich durch die thermische Verschlechterung der Wand in diesem Bereich eine deutliche Erhöhung von ΨEinbau ergeben.

Abbildung 4: Einbausituation 'oben/seitlich' und ‘unten‘ für eine Holzbauwand und das zugehörige Isothermenbild.


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Beton-Schalungsstein Folgende Abbildung zeigt den Einbau des Fensters 'oben/seitlich' und ‘unten‘ in einer Wand aus Betonschalungssteinen. Rechts ist das zugehörige Isothermenbild dargestellt. Senkrecht zu den farbig gezeichneten Isothermen verlaufen die Wärmestromlinien. Zwischen den Linien fließt jeweils ein Wärmestrom von 0,1 W/m.

Abbildung 5: Einbausituation 'oben/seitlich' und ‘unten‘ für eine Wand aus Betonschalungssteinen und das zugehörige Isothermenbild


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9. Abschließende Bewertung Der vorliegende Fensterrahmen der Firma aluplast GmbH mit dem Produktnamen energeto ® 8000 | foam inside stellt eine akzeptable und bezüglich der geprüften Parameter funktionierende Konstruktion einer Passivhaus geeigneten Komponente dar. Durch den Einsatz des Abstandhalters Swisspacer V wird ein für Passivhausfenster guter Glasrand-Ψ-Wert erreicht. Die Ergebnisse der Wärmestromberechnungen, die in diesem Bericht dokumentiert sind, belegen, dass die geforderten Werte für Uw und Uw,eingebaut erreicht werden. Bei der Bauausführung ist darauf zu achten, dass die Fenster wie im Bericht dargestellt eingebaut werden. Andernfalls können sich die Einbauwärmebrücken-verslustkoeffizienten erheblich verschlechtern.


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10. Anhang: Konstruktionszeichnungen energeto ® 8000 | foam inside: Rahmenschnitt seitlich/oben und unten (nicht maßstäblich)


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energeto ® 8000 | foam inside: Einbau in einer Massivwand mit Wärmedämmverbundsystem (WDVS) (nicht maßstäblich)


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energeto ® 8000 | foam inside: Einbau in einer Holzleichtbauwand (nicht maßstäblich)


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energeto ® 8000 | foam inside: Einbau in einer Wand aus Betonschalungssteinen (nicht maßstäblich)

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