Fachthema

Energetische Bewertung von Vorwandmontagesystemen

Dipl.-Ing. Marc Klatecki, Ingenieurbüro Prof. Dr. Hauser GmbH

Thomas Stein, Adolf Würth GmbH & Co. KG, Marktmanagement Dach- und Fassadentechnologie

1 Einleitung

Mit Einführung der Energieeinsparverordnung im Jahr 2001 [1] ist der Einfluss von Wärmebrücken bei der Ermittlung der Wärmeverluste über die Gebäudehülle mitzuberücksichtigen. Die Nachweismethoden nach DIN V 18599-2 [2] und DIN V 4108-6 [3] sehen daher explizit die Einbeziehung dieser zusätzlichen Wärmeverluste vor. Ohne besonderen Nachweis können diese pauschal über einen Wärmebrückenzuschlag ∆U_WB = 0,10 W/(m²·K) (bzw. ∆U_WB = 0,15 W/(m²·K) bei Innendämmung) in der energetischen Bilanzierung berücksichtigt werden. Bei Ausführung der Anschlussdetails nach den Planungs- und Ausführungsbeispielen des Beiblatts 2 der DIN 4108 [4] kann der Wärmebrückenzuschlag auf ∆U_WB = 0,05 W/(m²·K) und neuerdings auf ∆U_WB = 0,03 W/(m²·K) für eine energetisch verbesserte Anschlussausführung reduziert werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit einer detaillierten Erfassung der Wärmeverluste für jede Anschlusssituation über den längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten ψ und somit die Ermittlung eines projektbezogenen Wärmebrückenzuschlages.

Bei Ansatz eines pauschalen Wärmebrückenzuschlages muss jedoch die vorhandene Anschlusssituation eindeutig dem im Beiblatt 2 [3] angegebenen konstruktiven Grundprinzip zugeordnet werden können. Dies gilt sowohl für die Bauteilabmessungen als auch für die Baustoffeigenschaften. Bei abweichender Ausführung ist die Gleichwertigkeit entweder über den Wärmedurchlasswiderstand R oder anhand von Wärmebrückenberechnungen über Einhaltung des längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten ψ nachzuweisen.

Bild 1: Darstellung der im Beiblatt 2 unterschiedenen Fenstereinbaulagen

2 Das Beiblatt 2 der DIN 4108

Mit Neufassung des Beiblatts 2 [4] werden Wärmebrücken in die zwei energetischen Niveaus A und B eingeteilt, wobei Kategorie B als energetisch höherwertiger angesehen werden kann.

Sofern bei der Planung alle Anschlussdetails nach den Planungsvorgaben des neuen Beiblatts ausgeführt werden, darf im energetischen Nachweis nach DIN V 18599 [5] vom pauschalen Wärmebrückenzuschlag ∆U_WB = 0,10 W/(m²·K) (für Außenbauteile mit innenliegender Dämmschicht und einbindender Massivdecke ∆U_WB = 0,15 W/(m²·K)) abgewichen werden. Stattdessen können reduzierte Zuschläge (0,05 W/(m²·K) bei ausschließlicher Verwendung von Kategorie A-Details bzw. 0,03 W/(m²·K) bei Kategorie B-Details) angesetzt werden. Jedoch müssen hierbei die entsprechenden Anschlüsse dem jeweiligen konstruktiven Grundprinzip entsprechen. Das heißt, dass sowohl die Bauteilabmessungen als auch die Baustoffeigenschaften die Vorgaben des Beiblatts [4] einhalten müssen.

Für einen Bodenplattenanschluss bedeutet das beispielsweise, die zwingende Verwendung eines Wärmedämmsteins im Bereich der aufgehenden Außenwand oder bei auskragenden Balkonen die Verwendung 120 mm dicken thermischen Entkopplung. Bei den jeweiligen Kategorie A-Details ist kein Wärmedämmstein erforderlich und die thermische Entkopplung ist nur 80 mm dick. Bei anderen Ausführungsarten sind beispielsweise zusätzliche Flanken- und Stirndämmungen notwendig. Anschlussdetails beim Holzbau werden hingegen grundsätzlich der Kategorie B zugeordnet. Die neuen Regelungen treten mit Einführung des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) [5] in Kraft.

Bild 2: Darstellung von unterschiedlichen Lastabtragungselementen

Bild 3: Darstellung der im Beiblatt 2 unterschiedenen Fenstereinbaulagen

3 Anforderungen an die Fenstermontage nach Beiblatt 2

Für die verbesserte Einbausituation der Kategorie B sind Fenster bei außengedämmter Bauweise, dazu zählen Außenwände mit Wärmedämmverbundsystem sowie zweischalige gedämmte Konstruktionen, innerhalb der Dämmebene zu montieren. D. h. der Blendrahmen liegt vollständig, über die gesamten Bautiefe, in der Dämmung. In Bild 1 ist dies vergleichend mit einem Kategorie A-Detail am Beispiel eines Laibungsanschlusses in außengedämmter Bauweise dargestellt. Im oberen Bild ist das Fenster im Bereich des Wandbildners montiert, dies entspricht der Kategorie A, und im unteren innerhalb der Dämmebene, Kategorie B.Ohne zusätzliche bauliche Maßnahmen findet das Fenster jedoch keinen sicheren Halt bei der Einbausituation der Kategorie B; zur sicheren Lastabtragung müssen weitere konstruktive Maßnahmen umgesetzt werden. Hierfür eignen sich beispielsweise Montagekonsolen oder aber auch Vorwandmontagesysteme. In Bild 2 sind beispielhafte Systeme für die Fenstermontage innerhalb der Dämmung dargestellt. Beim oberen Bild handelt es sich um ein justierbares Fenstermontagesystem. Es ermöglicht die sichere Ableitung aller auftretenden Lasten und ist zudem dreidimensional justierbar, um Bautoleranzen auszugleichen. Die Einbauebene ist frei wählbar und kann entsprechend zur Reduzierung der Wärmeverluste angepasst werden.

Beim im unteren Bild dargestellten System handelt es sich um einen überputzbaren Montagewinkel zur Integration des Fensters in Dämmung. Der Montagewinkel wird geklebt und zusätzlich mechanisch befestigt und bietet so eine sichere Lastabtragung. Durch die Verklebung des Winkels auf bauübliche Untergründe kann die Luftdichtheitsebene vom Fenster direkt auf den Winkel angeordnet werden. Eine zusätzliche Verklebung vom Winkel auf die Wand ist nicht notwendig.

Durch die Verlagerung des Fensters in die Dämmebene reduzieren sich die Wärmeverluste über den Anschluss, d. h. das Fenster hat eine günstigere energetische Lage. Beispielhaft ist dies im nachfolgenden Bild dargestellt. Hier ist ersichtlich, dass höhere raumseitige Oberflächentemperaturen bei der Fensterlage innerhalb der Dämmebene vorliegen. Der längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizient ψ, als Indikator der Wärmeverluste über die betrachtete Anschlusssituation, beträgt bei der Fensterlage innerhalb der Wand 0,11 W/(m·K) und bei der Fensterlage innerhalb der Dämmebene 0,024 W/(m·K); die Anschlusssituation weist einen um ca. 80 % geringeren Energieverlust auf als die Montage innerhalb des massiven Bauteils.

In Anlehnung an die „Faustformel“ des BBSR [7] bedeutet das bei einer Anlagenaufwandszahl für einen Gas-Brennwertkessel mit gedämmter Wärmeverteilung von 1,15, einer durchschnittlichen Temperaturdifferenz von 15 K und einer Dauer der Heizperiode von 5.000 Stunden eine Energieeinsparung von ca. 7,5 kWh pro Jahr und pro laufendem Meter Fensteranschluss. Bei Annahme von 100 m Fensteranschlusssituation für ein gängiges Einfamilienhaus beträgt die Energieeinsparung 750 kWh oder besser ausgedrückt 72 Liter Heizöl pro Jahr (bei einem angenommenen Energieinhalt von 10,4 kW pro Liter Öl). Zusätzlich wird der CO2-Ausstoß pro Jahr um 223,5 kg reduziert.

4 Nachweisführung der rechnerischen Gleichwertigkeit

Um die bildliche Gleichwertigkeit nach [4] einzuhalten, wird eine Wärmedämmung mit einer Wärmeleitfähigkeit von λ ≤ 0,035 W/(m·K) bei Anschlüssen in außengedämmter Bauweise gefordert. Werden Materialien verwendet, deren Wärmeleitfähigkeit die Anforderung überschreitet, ist die Gleichwertigkeit der entsprechenden Anschlüsse nachzuweisen. Dies kann bei derartigen Anschlusssituationen nur anhand von Wärmebrückenberechnungen auf Grundlage von DIN EN ISO 10211 [8] erfolgen.

Beim Vorwandmontagesystem VWM kann aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeiten λ des Montagewinkels (λ = 0,086 W/(m·K)) der bildliche Gleichwertigkeitsnachweis nicht geführt werden; der Nachweis der Gleichwertigkeit ist rechnerisch zu führen! Die Nachweisführung erfolgt hierbei über den Vergleich der im Beiblatt 2 [4] angegebenen Referenzwerte der längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten ψrefmit den, anhand von Wärmebrückenberechnungen nach DIN EN ISO 10211 [4] unter Anwendung der Rechenrandbedingungen nach [4] ermittelten, längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten ψ. Bei der rechnerischen Bewertung von Anschlusssituationen bietet das Beiblatt 2 die Möglichkeit auf Referenzfenstersysteme für Holz, Kunststoff und Aluminium zurückzugreifen.

Die Berechnung von Anschlüssen mit Fenstern erfolgt wiederrum in Verbindung mit DIN EN ISO 10077-2 [8] auf Grundlage der nachfolgenden Formel:

Hierbei bedeutet

Ψ [W/(m·K)] längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient
L_2D,gesamt [W/(m·K)] thermischer Leitwert über den gesamten Anschluss aus zweidimensionaler Berechnung
U_Wand [W/(m²·K)] Wärmedurchgangskoeffizient der Wand
l_Wand[m] Länge für UWand
L_{2D,mod.window}[W/(m·K)] thermischer Leitwert über das modellierte Fenstersystem inklusive Glaspaket aus zweidimensionaler Berechnung
l_mod.window[m] Länge des modellierten Fenstersystems inklusive in Ansatz gebrachtes Glaspaket
l_x[m] Länge für Einbaufugen und, falls vorhanden, zusätzliche Anschluss- oder Verbreiterungsprofile und/oder Aufsatz- oder Vorsatzelemente

5 Energetische Qualität der Vorwandmontagesysteme VWM und VWM EPS

Bild 4: Darstellung des Vorwandmontagesystems VWM

Die Vorwandmontagesysteme VWM und VWM EPS der Fa. Würth wurden in [10] und [11] energetisch bewertet. Hierbei wurde untersucht, inwieweit eine Gleichwertigkeit mit den Ausführungsarten der Kategorie B in außengedämmter (Details 221, 227, 236, 238 und 240) und zwei?schaliger (Details 223, 229, 242, 244 und 246) Bauweise gegeben ist. Die Bewertung wurde für folgenden Anschlusssituationen durchgeführt:

Fensterbrüstung
Fensterlaibung
Fenstersturz mit Geschossdeckeneinbindung
Fenstersturz ohne Geschossdeckeneinbindung
Fenstersturz an Flachdach

Die oben genannten Anschlüsse wurden in der jeweils referenzbildenden Ausführung mit den Vorwandmontagesysteme VWM und VWM EPS mit minimaler sowie maximaler Auskragung untersucht.

Das Vorwandmontagesystem [11] VWM besteht hierbei aus einem Montagewinkel mit einem Funktionswerkstoff auf Basis von PU-Hartschaum mit einer Wärmeleitfähigkeit λ = 0,096 W/(m·K) und einem Dämmblock aus extrudiertem Polystyrol (XPS) mit einer Wärmeleitfähigkeit λ = 0,034 W/(m·K). Die Anschlüsse wurden mit minimaler (Abmessungen S x S2 = 80 mm x 80 mm (Artikelnummer: 0479742508)) sowie maximaler (Abmessungen S x S2 = 200 mm x 110 mm (Artikelnummer: 0479742520)) Auskragung untersucht. In Bild 4 sind die untersuchten Vorwandmontagesysteme dargestellt.

Bild 5: Darstellung des Vorwandmontagesystems VWM EPS

Das Vorwandmontagesystem VWM EPS besteht aus einem expandierten Polystyrol mit einer Wärmeleitfähigkeit λ = 0,040 W/(m·K). Auch dieses wurde in minimaler (Abmessungen S x S2 = 80 mm x 80 mm (Artikelnummer: 0479743208)) und maximaler (Abmessungen S x S2 = 140 mm x 80 mm (Artikelnummer: 0479743214)) Auskragung untersucht, siehe Bild 5.

Die Fensterlage wurde bei den Untersuchungen entsprechend der Auskragung des Vorwandmontagesystems ausgebildet. Bei minimaler Auskragung wurde der Blendrahmen bündig an die Tragschale und bei maximaler Auskragung wurde der Blendrahmen außen bündig mit dem Vorwandmontagesystem abgebildet. Hierdurch können die Ergebnisse der Untersuchungen sowohl für abweichende Ausführungen des VWM-Systems (Änderung der Auskragung) als auch für abweichende Fensterlagen übertragen werden.

Die Ergebnisse der Wärmebrückenberechnungen zeigen, dass die zulässigen Referenzwerte der längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten aus [4] sowohl bei Verwendung des VWM-Systems als auch beim Vorwandmontagesystem VWM EPS bei minimaler als auch bei maximaler Auskragung nicht überschritten werden. Der Nachweis der rechnerischen Gleichwertigkeit ist bei allen Einbausituationen für die Kategorie B gegeben. Der Ansatz des pauschalen Wärmebrückenzuschlags ∆UWB = 0,03 W/(m²·K) ist bei Verwendung des Vorwandmontagesystems VWM und VWM EPS zulässig.

Die Ergebnisse sind in den nachfolgenden Tabellen dargestellt.

Tabelle 5.1: Ergebnisse der untersuchten Anschlussausführungen

Tabelle 5.2: Ergebnisse der untersuchten Anschlussausführunge

6 Zusammenfassung

Mit Neufassung des Beiblatts 2 [4] werden Wärmebrücken in die zwei energetischen Niveaus A und B eingeteilt. Kategorie B ist hierbei als energetisch höherwertiger anzusehen und ermöglicht den Ansatz eines pauschalen Wärmebrückenzuschlags ∆U_WB = 0,03 W/(m²·K), sofern bei der Planung alle Anschlussdetails nach den Planungsvorgaben des neuen Beiblatts ausgeführt werden. Für Fensteranschlüsse bedeutet dies jedoch, dass bei außengedämmter und kerngedämmter Bauweise das Fenster innerhalb der Dämmebene zu positionieren ist. Die Schwierigkeit die sich hier jedoch ergibt, ist die sichere Ableitung der Kräfte in den Baukörper.

Durch die Verwendung der Vorwandmontagesysteme VWM und VWM EPS der Fa. Würth ist eine sichere Einleitung der Kräfte in den Baukörper möglich. Zudem wurde in den Untersuchungen in [10] und [11] nachgewiesen, dass sie den energetischen Anforderungen des Beiblatts 2 [4] entsprechen und somit im Bezug auf die Fensteranschlüsse der Ansatz eines pauschalen Wärmebrückenzuschlag ∆U_WB = 0,03 W/(m²·K) unbeschränkt möglich ist; die Ergebnisse der Wärmebrückenberechnungen zeigen, dass die zulässigen Referenzwerte nach [4] sowohl bei Vorwandmontagesystem VWM als auch beim Vorwandmontagesystem VWM EPS nicht überschritten werden. Der Nachweis der rechnerischen Gleichwertigkeit ist bei allen Einbausituationen für die Kategorie B gegeben.

Zusätzlich kommt es bei der Verwendung der betrachteten Vorwandmontagesysteme zu einer nicht unbedeutenden Energieeinsparung über die Anschlussstationen. Bei beispielsweise 100 m Fensteranschlusssituation beträgt das Energieeinsparpotenzial 750 kWh oder besser ausgedrückt 72 Liter Heizöl pro Jahr.

Literaturverzeichnis

[1] Verordnung über einen energiesparenden Wärmeschutz bei Gebäuden – Wärmeschutzverordnung vom 11. August 1977.

[2] DIN V 18599-2:2016-10, Energetische Bewertung von Gebäuden – Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung – Teil 2: Nutzenergiebedarf für Heizen und Kühlen von Gebäudezonen.

[3] DIN V 4108-6:2003-06, Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 6: Berechnung des Jahresheizwärme- und des Jahresheizenergiebedarfs.

[4] DIN 4108 Beiblatt 2:2019-06, Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Wärmebrücken – Planungs- und Ausführungsbeispiele.

[5] DIN V 18599, Energetische Bewertung von Gebäuden.

[6] Gesetz zur Einsparung von Energie und zur Nutzung erneuerbarer Energien zur Wärme- und Kälteerzeugung in Gebäuden (Gebäude?energiegesetz – GEG), 8. August 2020.

[7] https://www.bbsr-energieeinsparung.de

[8] DIN EN ISO 10211:2015-06, Wärmebrücken im Hochbau – Wärmeströme und Oberflächentemperaturen – Detaillierte Berechnungen.

[9] DIN EN ISO 10077-2:2015-08, Wärmetechnisches Verhalten von Fenstern, Türen und Abschlüssen – Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten – Teil 2: Numerisches Verfahren für Rahmen.

[10] Ingenieurbüro Prof. Dr. Hauser GmbH: Führung der rechnerischen Gleichwertigkeit für außengedämmte Wandkonstruktionen mit dem Vorwandmontagesystem VWM, Kassel (2020).

[11] Ingenieurbüro Prof. Dr. Hauser GmbH: Führung der rechnerischen Gleichwertigkeit für außengedämmte Wandkonstruktionen mit dem Vorwandmontagesystem VWM-EPS, Kassel (2020).

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