Download pdf - Auswirkung der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus ... · Wärmespeicherfähigkeit und optimaler Wärmeschutz I Marco Ragonesi 2. Internationales Forum Holzbau Beaune 12 1 Auswirkung

1

5. Europäischer Kongress für effizientes Bauen mit Holz 2012

Auswirkung der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus «Beton» I M. Ragonesi

Marco RagonesiRagonesi · Strobel & Partner AG

CH-Luzern

Auswirkung der Wärmespeicherfähigkeit:«Holz» versus «Beton»Optimaler Wärmeschutz mit Holzbau

2



3



Auswirkung der Wärmespeicherfähigkeit:«Holz» versus «Beton»1. Erkenntnisse aus Untersuchung «Hegianwandweg»:

Statische versus dynamische Betrachtung.Aus Element 29 «Wärmeschutz im Hochbau» werden die folgenden Aussagen gemacht:– Die thermischen Prozesse am Gebäude verhalten sich zeitabhängig, d.h. instationär. – Gängige stationäre Bilanzmodelle auf der Basis der U-Werte (Norm SIA 380/1) sind des-

halb nicht geeignet, Aussagen zu Heizlasten zu machen. – Es sind deshalb dynamische Simulationsmodelle erforderlich.– Die Vorteile des Massivbaus bezüglich energetischem Verhalten und Komfort lassen sich

nur mit dynamischen Simulationsmodellen quantifizieren.

Ist eine solch indirekte Diskreditierung der Holzbauweise gerechtfertigt ?Am Beispiel eines Mehrfamilienhauses der Überbauung Hegianwandweg wird der Einfluss von differenten Bauweisen detailliert untersucht:– Einfluss der Bauweise «leicht» (Aussenwände Holzrahmenbau), «mittel» (Massivholz-

bau) und «schwer» (Massivbau).– Einfluss des Energiestandards von der Mindestanforderung «MuKEn» bis zum Standard

MINERGIE-P.– Beurteilung der Energieflüsse statonär, mit Berechnung gemäss Norm SIA 380/1 und

mittels dynamischer Simulation (Mehrzonenmodell mit IDA ICE).

So wie es sein muss ist es auch: Das einfache stationäre Bilanzmodell SIA 380/1 weist einen Heizwärmebedarf aus, der generell leicht höher ist, als der über die dynamische Si-mulation ermittelte. Der Vergleich der verschiedenen Bauweisen und Standards führt zu folgenden Erkenntnissen:– Bei korrekter Zuordnung der Bauweise «leicht» bis «schwer» in SIA 380/1 sind die rech-

nerisch ausgewiesenen Differenzen beim Heizwärmebedarf, unabhängig von der Bauwei-se, mit etwa 5% beim Standard «MuKEn» und etwa 3 % beim Standard «MINERGIE-P» identisch.

– Wenn man bei der dynamischen Simulation die Raumtemperatur von 20 °C nicht als unteren Schwellenwert sondern als Durchschnittswert definiert, kann die Abweichung zwischen 380/1 und Simulation auch gegen 10 % gehen.

– Vorteilhaft zeigt sich, wenn die mit «leicht» in SIA 380/1 diskriminierte Holzbauweise mittels dynamischer Gebäudesimulation gerechnet wird und so die effektiv höher vor-handene Speicherfähigkeit zu einem um 11 % kleineren Heizwärmebedarf führt.

– Es ist somit nicht der Fall, dass nur der «schwere Massivbau» in SIA 380/1 falsch beurteilt wird und dessen Qualität bezüglich Wärmespeicherfähigkeit und Ausnutzung von solaren Gewinnen nur über die dynamische Gebäudesimulation korrekt gewürdigt werden kann. Auch die untersuchten Holzbaukonstruktionen weisen ihre Qualitäten bei differenzierter Betrachtung mittels dynamischer Gebäudesimulation auf!

2. Optimaler Wärmeschutz mit HolzbauIn letzter Zeit wurde intensiv über den Sinn eines immer besser werdenden Wärmeschut-zes nachgedacht. Ist dieser Weg bis hin zu MINERGIE-P auch dann gerechtfertigt, wenn eine immer effizientere Wärmeerzeugung zur Verfügung steht? Bezüglich die Kriterien «Kosten», «Primärenergie», «Treibhauseffekt CO2» und «Umweltbelastung UBP» wird für eine Aussenwand in Holzrahmenbauweise aufgezeigt, wie dick die optimale Wärmedämm-schicht ist. Dies abhängig von der Energieerzeugung mit Gas, Holzschnitzel oder Erdson-den-Wärmepumpe.

4



– Die kleinste Dicke ergibt sich bezüglich die Kosten, mit 16 cm bei Erdsonden-WP, gefolgt von 22 cm bei Holzschnitzelheizung und 28 cm bei Gasheizung.

– Die nicht monetären Kriterien führen zu Wärmedämmschichten von 32 cm Dicke und wesentlich mehr.

– Je effizienter die Energieerzeugung, desto weniger dick kann wärmegedämmt werden und je günstiger das Kapital, desto besser darf der Wärmeschutz sein. Wer aber zu wenig wärmedämmt macht sicher den grösseren Fehler als derjenige, der eine etwas zu dicke Wärmedämmschicht wählt!

– Wenn der Raumverlust durch dickere Wärmedämmschicht bzw. Wandkonstruktion be-rücksichtigt wird, resultiert garantiert nur der gesetzlich einzuhaltende Mindestwärme-schutz. In diesem Fall kann die schlanke Holzbauweise gegenüber anderen Wandkon-struktionen klare Vorteile ausspielen!

5

2. Internationales Forum Holzbau Beaune 12

Wärmespeicherfähigkeit und optimaler Wärmeschutz I Marco Ragonesi

2. Internationales Forum Holzbau Beaune 12 1

Auswirkung der Wärmespeicherfähigkeit:«Holz» versus «Beton»

Optimaler Wärmeschutz mit Holzbau


AuswirkungSpeicher-fähigkeit «Holz» – «Beton»MFH Hegianwandwegin Hybridbauweise

Energie-Effizienz bzw. Heizwärmebedarf

Rechnerische Beurteilung Heizwärmebedarf

Beurteilung unterschiedlicher Konstruktionen

Heizwärmebedarf im Vergleich

Temperaturverlauf in «kritischer» Sommerwoche

OptimalerWärmeschutzmit Holzbau

Objektbeispiel: MFH Hegianwandweg in Hybridbauweise










5


Auswirkung der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus «Beton» I M. Ragonesi6











Längsschnitt

Südwestfassade

Nordostfassade

Nordwestfassade

Südostfassade










Untergeschoss

Erdgeschoss

1. bis 3. Obergeschoss

Attikageschoss










Untergeschoss innerhalb der thermischen Gebäudehülle

ausserhalb der thermischen Gebäudehülle


6


Auswirkung der Wärmespeicherfähigkeit: «Holz» versus «Beton» I M. Ragonesi 7











Erdgeschoss innerhalb der thermischen Gebäudehülle












innerhalb der thermischen Gebäudehülle










Korrekte Beurteilung der Bauweise ?Rechnerische Beurteilung:• Statische Methode «Norm SIA 380/1»• Dynamische Methode

Beispiel «Hegianwandweg»:• Thermische Gebäudehülle• Konstruktionsvarianten• Rechnerische Beurteilung• Vergleich der Resultate


7













Korrekte Beurteilung der Bauweise ?Aus element 29:

– Die thermischen Prozesse am Gebäude verhalten sich naturgemäss zeitabhängig, d.h. instationär.

– Gängige stationäre Bilanzmodelle auf der Basis der U-Werte (Norm SIA 380/1) sind deshalb nicht geeignet,

Aussagen zu den Heizlasten zu machen.

– … sind deshalb dynamische Simulationsmodelle erfor-derlich …

– Vorteile der massiven Bauweise bezüglich Komfort und Nutzung solarer Energiegewinne sowie die Wirkung des Wärmespeicherverhaltens lassen

sich nur mit dynamischen Modellen realitätsnah aufzei-gen.











– Referenzberechnung «Massivbau»: Der mittels dynamischer Berechnung ermittelte Heizwärmebedarf fällt um etwa 10 % niedriger aus als nach Norm SIA 380/1 ermittelt.

– Die dynamische Gebäudesimulation ermöglicht eine ralistische Einschätzung der erzielbaren Energiegewinne

…

– Vorteile des Massivbaus bezüglich energetischem Verhalten lassen sich somit quantifizieren.











– Referenzberechnung «Massivbau»: Der mittels dynamischer Berechnung ermittelte Heizwärmebedarf fällt um etwa 10 % niedriger aus als nach Norm SIA 380/1 ermittelt.

– Die dynamische Gebäudesimulation ermöglicht eine ralistische Einschätzung der erzielbaren Energiegewinne

…

– Vorteile des Massivbaus bezüglich energetischem Verhalten lassen sich somit quantifizieren.


Diskreditierungder Holzbauweise

8













Statische Methode «SIA 380/1»:– Bilanz über 12 Perioden– Monatsmittelwerte– konstante Raumtemperatur– U-Werte– g-Werte– Wärmebrücken– Bauweise: z.B. «leicht»

QS

Qh

QIE

QT

QV

QIP










Maximaltemperatur[°C]

N

S

26,5

26,0

25,5

25,0

24,5


Dynamische Bilanzierung:– Stundenmittelwerte (Klimabedingungen)– Simulation über variable Zeitschritte (< 1 Sekunde bis max. 1 Stunde)– Baukonstruktion bzw. Materialien (Baustoffkennwerte)– g-Werte– Wärmebrücken– effektive Wärmespeicherfähigkeit

16

18

20

22

24

26

28

30

Tem

pera

ture

n [°

C]

32









Aussenwände

Fenster

Flachdachüber 4. OG

Flachdachüber 3. OG

Baustoffe

Konstruktion«Ytong» (schwer)

Konstruktion«Leicht»

Konstruktion«Mittel»

Konstruktion«Schwer»

Holzfenster mit 3-IVUg = 0,7 bzw. 0,6 W/m2Kg = 47 %Glasrand Edelstahl bzw. Kunststoff




HolzwerkstoffeBacksteinYtong PStahlbeton

MineralwollplattenXPS-PlattenEPS-PlattenMultipor

UnterlagsbodenParkettbodenPlattenbodenSplitt

PutzschichtenGipskartonplattenGipsfaserplattenPutzträgerplatte

175160240

180320

160

26

010

018

016

0

80

100

120

100

80

25

010

0

140

240

140

22

024

0

22

0

22

0

180

180

180

25

02

20

240

22

03

80

160 80260

180 150260

40

Effizienz von unterschiedlichen Konstruktionen

9













Effizienz von unterschiedlichen Konstruktionen

Geschossdecken

Boden über UG

InnenwändeundWohnungs-trennwände

Baustoffe

Konstruktion«Ytong» (schwer)

Konstruktion«Leicht»

Konstruktion«Mittel»

Konstruktion«Schwer»

HolzwerkstoffeBacksteinYtong PStahlbeton

MineralwollplattenXPS-PlattenEPS-PlattenMultipor

UnterlagsbodenParkettbodenPlattenbodenSplitt

PutzschichtenGipskartonplattenGipsfaserplattenPutzträgerplatte

22

06

02

016

0

60

20

120

60

25

02

012

0

25

0

25

010

012

025

0 20

0

80

25

02

016

02

50

180 75var. 808080 var.var.180 75var.








OptimalerWärmeschutzmit Holzbau Heizwärmebedarf Qh = Qh,li (MuKEn) gemäss Berechnung SIA 380/1

Heizwärmebedarf Qh = 0,6 x Qh,li (MINERGIE-P) gemäss Berechnung SIA 380/1 Heizwärmebedarf Qh,eff mit Komfortlüftung/WRG (Vth = 0,28) gemäss Berechnung SIA 380/1(MINERGIE-P) Heizwärmebedarf Qh basierend auf dynamischer Gebäudesimulation– MuKEn mit Standardluftwechsel– MINERGIE-P mit Komfortlüftung/WRGGrenzwert Qh,li (MuKEn)MINERGIE-Primäranforderung an thermische Gebäudehülle: Qh = 0,6 x Qh,li

Bauweise «leicht»

MuKEn MINERGIE-PMuKEn MINERGIE-P

Bauweise «mittel»Bauweise «schwer»Bauweise «Ytong» (schwer)0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

Hei

zwär

meb

edar

f Qh [M

J/m

2 a]

MuKEn MINERGIE-P MuKEn MINERGIE-P

–11%

–13%–3%–3%

–5%–4%

–3%

–4%

Beurteilung Norm SIA 380/1 & mit Gebäudesimulation










Bauweis:0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

Hei

zwär

meb

edar

f Qh [M

J/m

2 a]

Heizwärmebedarf Qh = Qh,li (MuKEn; Berechnung SIA 380/1; Bauweise «leicht»)Heizwärmebedarf Qh (Berechnung SIA 380/1; variable Definition der Bauweise «sehr leicht» bis «schwer»)Heizwärmebedarf Qh basierend auf dynamischer Gebäudesimulation

«leicht»«sehr leicht» «mittel» «schwer»

107115

100 99

95–11% –5% –4%–17%

Beurteilung Norm SIA 380/1 & mit Gebäudesimulation


10













Aussentemperatur

Strahlung

18. J

uli

Bauweise «schwer»

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

Rau

mtlu

ftte

mpe

ratu

ren

[°C

]

Sol

arst

rahl

ung

[W/m

2 ]

Temperaturen Sommerwoche

32

34

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

25. J

uli

19. J

uli

24. J

uli

23. J

uli

22. J

uli

21. J

uli

20. J

uli

Vergleich Raumlufttemperaturen:

Bauweise «leicht»

MuKEn

MINERGIE-P

Bauweise «Ytong»

MuKEn

MINERGIE-P

Bauweise «mittel»

MuKEn

MINERGIE-P

MuKEn

MINERGIE-P

Beurteilung mit Gebäudesimulation












Aussentemperatur

Strahlung

18. J

uli

Bauweise «schwer»

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

Rau

mtlu

ftte

mpe

ratu

ren

[°C

]

Sol

arst

rahl

ung

[W/m

2 ]


32

34

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

25. J

uli

19. J

uli

24. J

uli

23. J

uli

22. J

uli

21. J

uli

20. J

uli


Bauweise «leicht»

MINERGIE-P

MINERGIE-P









Aussentemperatur

Strahlung

Bauweise «leicht»

18. J

uli

Bauweise «schwer»

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

Rau

mtlu

ftte

mpe

ratu

ren

[°C

]

Sola

rstr

ahlu

ng [W

/m2 ]


32

34

10

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

25. J

uli

19. J

uli

24. J

uli

23. J

uli

22. J

uli

21. J

uli

20. J

uli

MINERGIE-P


MINERGIE-Pmit Kühlungüber Boden-heizung

MINERGIE-P



11













MaximaltemperaturStunden über Grenzwert gemäss Norm SIA 381/1Stunden über 26 °C

Bauweise «leicht»Bauweise «Ytong»

MuKEn MINERGIE-PMuKEn MINERGIE-P

Bauweise «mittel»20

21

22

23

24

25

26

27

28

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Extr

emte

mpe

ratu

r Som

mer

woc

he [°

C]

Stun

den

mit

Übe

rtem

pera

tur [

h]

MuKEn MINERGIE-P MuKEn MINERGIE-P

Bauweise «schwer»0h0h0h0h0h0h0h0h0h


Maximaltemperatur und Stunden über Temperatur-Grenzwerten









Wo liegt dasOptimum

Norm SIA 180:Bauschadenfreiheitund Behaglichkeit

Kriterien:Behaglichkeit/BauschädenKosteneffizienz (Erstellung & Betrieb)Energieeffizienz (Primärenergie)CO2-EffizienzUmweltbelastung «UBP»

2m 3 421 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43

Optimaler Wärmeschutz mit Holzbau









QS

Qh

QIEQV

QIP

Effizienz dank guter «Maschine» ?

Holzη = 0,75

Gasη = 0,9

WärmepumpeJAZ = 3,9(Traumwerte 5 oder 10 ?)

QT

Entscheidender Faktor: Energieerzeugung

12













6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 360,05

U-W

ert

[W/m

2 K]

0,090,11

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0

Ko

sten

[C

HF/

m2

a]

2,5

5,0

7,5

10,0

12,5

15,0

17,5

Dicke der Wärmedämmschicht [cm]

MuKEn Neubau

Norm SIA 380/1: Zielwert Neubau

MuKEn Neubau: ohne erneuerbare Energie

MuKEn Sanierung

Norm SIA 180

U-Wert Holzrahmenbau (λD,res = 0,045 W/m·K)

Kosten:– Anteil Holzbau (Steinwollplatte&Holzrahmen)– Total Holzbau + Heizwärmeverbrauch • bei Gasheizung • bei Erdsonden-WP • bei HolzschnitzelOptimum betreffend die Kosten

Kosten

Holzrahmen mit Brettschichtholz(CHF 1’250.–/m3) statt Duoholz C24 (CHF 1’050.–/m3)

Kosten-Effizienz









6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 360,05

U-W

ert

[W/m

2 K]

0,090,11

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0

Trei

bh

ause

ffek

t [k

g C

O2-

eq/m

2 a]

2

4

6

8

10

12

14


MuKEn Neubau



MuKEn Sanierung

Norm SIA 180


Treibhauseffekt:– Anteil Holzbau (Steinwollplatte&Holzrahmen)– Total Holzbau + Heizwärmeverbrauch • bei Gasheizung • bei Erdsonden-WP • bei HolzschnitzelOptimum betreffend die Treibhauseffekt

142

52

Treibhauseffekt

Treibhausgase-Effizienz









6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 360,05

U-W

ert

[W/m

2 K]

0,090,11

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40


MuKEn Neubau



MuKEn Sanierung

Norm SIA 180


Primärenergie:– Anteil Holzbau (Steinwollplatte&Holzrahmen)– Total Holzbau + Heizwärmeverbrauch • bei Gasheizung • bei Erdsonden-WP • bei HolzschnitzelOptimum betreffend die Primärenergie

136

100

Primärenergie

0

Pri

mär

ener

gie

nic

ht

ern

euer

bar

[kW

h/m

2 a]

10

20

30

40

50

60

70

Primärenergie-Effizienz

13













6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 360,05

U-W

ert

[W/m

2 K]

0,090,11

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40


MuKEn Neubau



MuKEn Sanierung

Norm SIA 180


Umweltbelastung:– Anteil Holzbau (Steinwollplatte&Holzrahmen)– Total Holzbau + Heizwärmeverbrauch • bei Gasheizung • bei Erdsonden-WP • bei HolzschnitzelOptimum betreffend die Umweltbelastung

80

72

Umweltbelastung

0

Um

wel

tbel

astu

ng

[U

BP

/m2

a]

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Umweltbelastungs-Effizienz









43

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 360,05

U-W

ert

[W/m

2 K]

0,090,11

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40


MuKEn Neubau



MuKEn Sanierung

Norm SIA 180

1

1

1

2

23

4

4

32

Optimale Dicken derWärmedämmschicht

Aussenwand «Holzrahmenbau» Gas 1: Kosten Holzschnitzel 2: Primärenergie Wärmepumpe 3: CO2 4: UBP

Gesamtbetrachtung «Effizienz»









43

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 360,05

U-W

ert

[W/m

2 K]

0,090,11

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40


MuKEn Neubau



MuKEn Sanierung

Norm SIA 180

1

1

1

2

23

4432

Optimale Dicken derWärmedämmschicht

Aussenwand «Holzrahmenbau» Gas 1: Kosten Holzschnitzel 2: Primärenergie Wärmepumpe 3: CO2 4: UBP

Wer zu wenig dämmt macht die grösseren Fehler als der, welcher zu viel dämmt !

Schlussfolgerung 1

14













– Je effizienter die Energieerzeugung, desto weniger dick kann wärmegedämmt werden: • WP mit JAZ = 3,9: Kosteneffizient sind 16 cm 5: 14 cm 10: 10 cm – Je günstiger das Kapital, desto besser darf der Wärmeschutz sein: • Kapitalzinssatz 1 %: Kosteneffizient sind 24 cm 3 %: 16 cm 6 %: 12 cm

Schlussfolgerung 2









6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 360,05

U-W

ert

[W/m

2 K]

0,090,11

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40


«MINDESTWÄRMESCHUTZ»MuKEn Neubau

Auswirkung «Raumverlust»

nächst dickere WD möglich bei:• 18 CHF/m2·a (Gas)• 1 CHF/m2·a (Holzschnitzel)• 0 CHF/m2·a (Wärmepumpe)

Fazit: Bei Raumverlust «Mindestwärmeschutz»

Rechenbeispiel:• Wohnung mit Nettowohnfläche 130 m3

tanoM/FHC –.000’3 eteiM • • 1 m2 Nettowohnfläche kostet 277.– CHF/a• Geschosshöhe = 3,0 m• 1 cm Mehrdicke der Wand «verursacht» 0,92 CHF/m2·a• Wirtschaftlichkeit einer dickeren Wärmedämmschicht gegeben bei welchen Nettowohnflächen-Kosten?

Schlussfolgerung 3









6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 360,05

U-W

ert

[W/m

2 K]

0,090,11

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40


Auswirkung «Raumverlust»

Holzrahmenbau:• U-Wert 0,2 W/m2·K• etwa 30 cm dicke Aussenwand

Differenz:• etwa 15 cm dickere Wand• «Verlust» von etwa 14.– CHF/m2·a für verlorene Nettowohnfläche !

Massivbauwand:• U-Wert 0,2 W/m2·K• etwa 45 cm dicke Aussenwand

Schlussfolgerung 3