Wärmeschutz (eBook)

Dr.-Ing. Kai Schild ist Akademischer Rat am Lehrstuhl für Bauphysik und Technische Gebäudeausrüstung an der Technischen Universität Dortmund.Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang M. Willems leitet den Lehrstuhl für Bauphysik und Technische Gebäudeausrüstung an der Technischen Universität Dortmund und die Arbeitsgruppe Baukonstruktionen und Bauphysik an der Ruhr-Universität Bochum

Vorwort 5
Inhaltsverzeichnis 6
1 Berechnungshilfen 13
1.1 Einheiten-Umrechnungstafeln 13
1.1.1 Länge 13
1.1.2 Fläche 13
1.1.3 Volumen 13
1.1.4 Masse 14
1.1.5 Zeit 14
1.1.6 Kraft 14
1.1.7 Spannung 15
1.1.8 Druck 15
1.1.9 Arbeit 15
1.1.10 Leistung 16
1.1.11 Wärmeleitfähigkeit 16
1.1.12 Spezifische Wärmekapazität 16
1.1.13 Wärmedurchgangskoefizient 16
1.1.14 Wärmestromdichte 17
1.2 Griechisches Alphabet 17
1.3 Mathematische Grundlagen 18
1.3.1 Flächenberechnung 18
1.3.2 Volumenberechnung 20
1.3.3 Rechenregeln 24
Potenzen 24
Wurzeln 24
Logarithmen 25
Quadratische Gleichung 25
1.3.4 Trigonometrie 25
1.4 Bauschraffuren gemäß DIN 1356-1 und DIN ISO 128-50 26
1.5 Wärmeund feuchtetechnische Kennwerte von Baustoffen 28
1.5.1 Putze, Mörtel, Asphalt und Estriche 28
1.5.2 Beton 29
1.5.3 Bauplatten 31
1.5.4 Mauerwerk aus Klinkern und Ziegeln 32
1.5.5 Mauerwerk aus Kalksand-, Hüttenund Porenbeton-Plansteinen 33
1.5.6 Mauerwerk aus Betonsteinen 34
1.5.7 Wärmedämmstoffe 36
1.5.8 Holz und Holzwerkstoffe 40
1.5.9 Fußbodenbeläge, Abdichtstoffe, Dachbahnen, Folien 41
1.5.10 Lose Schüttungen 42
1.5.11 Glas, Natursteine 42
1.5.12 Lehmbaustoffe 43
1.5.13 Metalle 43
1.5.14 Böden 44
1.5.15 Gase 44
1.5.16 Gummi 45
1.5.17 Massive Kunststoffe 45
1.5.18 Eis, Wasser, Schnee 46
2 Grundlagen des Wärmeschutzes 47
2.1 Grundbegriffe 47
2.1.1 Rohdichte 47
2.1.2 Wärmeleitfähigkeit 47
2.1.3 Wärmetransport 48
Wärmeleitung 48
Konvektion 49
Strahlung 50
2.1.4 Spezifische Wärmekapazität 50
2.1.5 Temperaturleitzahl 50
2.1.6 Wärmeeindringkoeffizient 51
2.1.7 Wärmestrom 52
2.1.8 Wärmestromdichte 52
2.2 Wärmedämmstoffe 52
2.2.1 Allgemeines 52
2.2.2 Anwendungstypen / -gebiete 54
2.2.3 Kennwerte am Markt verfügbarer Wärmedämmstoffe 56
2.3 Wärmeübergangswiderstand 71
2.4 Wärmedurchlasswiderstand 74
2.4.1 Wärmedurchlasswiderstand für eine Baustoffschicht 74
2.4.2 Wärmedurchlasswiderstand einer Luftschicht 75
Ruhende Luftschicht 76
Schwach belüftete Luftschicht 76
Stark belüftete Luftschicht 77
Unbelüftete Lufträume mit einer Länge und Breite von mehr als dem 10fachen der Dicke (Luftschichten allgemein) 77
Kleine oder unterteilte unbelüftete Lufträume (Luftspalte) 78
2.4.3 Wärmedurchlasswiderstand unbeheizter Räume 79
Dachräume 79
Andere unbeheizte Räume 79
2.5 Wärmedurchgangswiderstand 80
2.5.1 Einschichtige, homogene Bauteile 81
2.5.2 Mehrschichtige homogene Bauteile 81
2.5.3 Mehrschichtige inhomogene Bauteile 81
2.6 Wärmedurchgangskoeffizient opaker Bauteile 83
2.6.1 Korrektur des U-Wertes bei Luftspalten im Bauteil 84
2.6.2 Korrektur des U-Wertes bei Durchdringung der Dämmschicht durch Befestigungsteile 85
2.6.3 Korrektur des U-Wertes durch Niederschlag auf Umkehrdächern 86
2.6.4 Berechnung des U-Wertes für Bauteile mit keilförmigen Schichten 87
2.6.5 Berechnung des U-Wertes für zweischalige Dachund Wandaufbauten im Stahlleichtbau [23] 88
2.6.6 Berechnung des U-Wertes für Metall-Sandwichelemente 97
2.6.7 Berechnung des U-Wertes für Beton-Sandwichelemente [43] 99
Einfluss der Anker 100
Einfluss der Fugen 102
Pauschalwerte zur Vordimensionierung 103
2.7 Wärmedurchgangskoeffizient erdberührter Bauteile 105
2.7.1 Einordnung der Verfahren 105
2.7.2 Berechnungsverfahren gemäß DIN EN ISO 13370 106
Beschreibung des Verfahrens 106
Wärmeverluste über erdberührte Bodenplatten (nicht unterkellert) 109
Wärmeverluste über aufgeständerte Bodenplatten (Kriechkeller) 110
Wärmeverluste bei beheiztem Keller 111
Wärmeverluste bei unbeheiztem oder teilweise beheiztem Keller 112
Berücksichtigung von Wärmebrücken 113
Einfluss des Grundwassers 113
2.7.3 Bewertung der Rechenverfahren 114
Erdreichtemperatur in DIN EN ISO 13370 114
Nutzung der DIN EN ISO 13370 bei Wärmebrückenberechnungen 116
Vergleich DIN EN ISO 13370 -Faktoren 117
Anwendung der DIN EN ISO 13370 im Verfahren der DIN V 18599 118
Wärmeverluste bei teilweise beheiztem Keller 118
Wärmeverluste bei Teilunterkellerung 118
2.8 Wärmedurchgangskoeffizient von Fenstern 119
2.8.1 Wärmedurchgangskoeffizient der Verglasung 119
2.8.2 Wärmedurchgangskoeffizient des Rahmens 122
Berechnung gemäß DIN EN ISO 10077-2 123
2.8.3 Wärmedurchgangskoeffizient des Fensters 125
Ermittlung des Bemessungswertes 125
Hinweise zur Anwendung von DIN EN ISO 10077-1 125
Fenster mit Einscheibenverglasung 126
Fenster mit Einscheibenverglasung und Teilbereichen mit opaken Füllungen 128
Kastenfenster 129
Verbundfenster 130
2.9 Wärmedurchgangskoeffizient von Türen 131
2.9.1 Vollverglaste Türen 131
2.9.2 Türen mit Verglasungen und opaken Füllungen 131
2.9.3 Türen ohne Verglasung 131
2.9.4 Experimentelle Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten kompletter Fenster und Türen 132
2.10 Wärmedurchgangskoeffizient von Vorhangfassaden 132
2.10.1 Einzelbeurteilungsmethode gemäß DIN EN 13947 132
Vorgehensweise mit UTJ 133
Vorgehensweise mit TJ 134
Beispiele für die Anwendung der Einzelbeurteilungsmethode 135
2.10.2 Komponentenmethode gemäß DIN EN 13947 137
2.11 Wärmedurchgangskoeffizient von Rohrleitungen 140
2.12 Temperaturverteilungen in Bauteilen 141
2.12.1 Eindimensional, stationär 141
Rechnerisches Verfahren 141
Graphisches Verfahren 141
Beispiele für Temperaturverläufe in verschiedenen Außenwandkonstruktionen 143
2.12.2 Eindimensional, instationär 143
Graphisches Differenzenverfahren nach Binder/Schmidt 144
2.12.3 Mehrdimensionale Aufgabenstellungen 148
2.13 Wärmebilanzen 150
2.13.1 Einführung 150
2.13.2 Netzwerk-Verfahren 150
2.13.3 Anwendung auf eindimensionale Aufgabenstellungen 153
3 Wärmebrücken 156
3.1 Einführung 156
3.1.1 Definition „Wärmebrückefi 156
Konstruktiv bedingte Wärmebrücken / stoffbedingte Wärmebrücken 157
Geometrisch bedingte Wärmebrücken / formbedingte Wärmebrücken 157
Mischformen 157
Lüftungs- und umgebungsbedingte „Wärmebrücken“ 157
3.1.2 Auswirkungen von Wärmebrücken 160
3.2 Rechnerische Untersuchung von Wärmebrücken 162
3.2.1 Allgemeines 162
3.2.2 Randbedingungen gemäß DIN EN ISO 10211 164
Modellgeometrie allgemein 164
Modellgeometrie bei Erdreichmodellen 165
Temperaturrandbedingungen 166
Wärmeübergangswiderstände 166
3.2.3 Randbedingungen gemäß DIN 4108, Beiblatt 2 167
Modellgeometrie allgemein 167
Modellgeometrie bei Erdreichmodellen 167
Temperaturrandbedingungen 168
Wärmeübergangswiderstände 169
3.2.4 Ermittlung des längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten 170
Modelle mit zwei Temperaturrandbedingungen 170
Modelle mit drei Temperaturrandbedingungen 170
Allgemeine Anmerkungen zum -Wer 171
3.2.5 Ermittlung des punktbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten 173
3.2.6 Wärmebrückenkataloge 175
3.2.7 Sonderfall Erdreich 175
Temperatur am unteren Modellrand 175
Randbedingungen für Horizontalschnitte 175
Beispielrechnung (Bodenplatte auf Erdreich, 3D-FE-Modell) 176
Wärmebrücken am Perimeter der Bodenplatte 180
Wärmebrücken unterhalb der Bodenplatte 181
3.2.8 Weitere Definitionslücken und Sonderfälle 183
Fenster, Türen, Tore, Pfosten-Riegel-Fassaden 183
Mehrzonenmodelle 183
Temperatur in unbeheizten Räumen 184
3.3 Sanierung von Wärmebrücken durch Beheizung 184
3.3.1 Anwendungsfälle 184
3.3.2 Passive Beheizung 184
3.3.3 Aktive Beheizung 187
4 Anforderungen an den winterlichen Wärmeschutz 188
4.1 Abgrenzung und Historie 188
4.2 Mindestwärmeschutz – DIN 4108-2 190
4.2.1 Bautechnische Maßnahmen für eine energiesparende Bauweise 190
4.2.2 Anforderungen an schwere opake Massivbauteile 191
4.2.3 Anforderungen an leichte opake Außenbauteile sowie Rahmenund Skelettbauarten 191
4.2.4 Anforderungen für Gebäude mit niedrigen Innentemperaturen 191
4.2.5 Anforderungen im Bereich von Wärmebrücken 193
4.2.6 Anforderungen an Fenster, Fenstertüren und Türen 194
4.2.7 Anforderungen an Fassaden aus Pfosten-Riegel-Konstruktionen 194
4.2.8 Anforderungen an die Luftdichtheit von Außenbauteilen 195
4.3 Energiesparender Wärmeschutz 195
5 Anforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz 196
5.1 Abgrenzung der Zielsetzungen 196
5.2 Einflussgrößen 196
5.2.1 Allgemeines 196
5.2.2 Gesamtenergiedurchlassgrad der Verglasung 197
5.2.3 Wirksamkeit einer Sonnenschutzvorrichtung 198
5.2.4 Position des Sonnenschutzes 199
5.2.5 Art der Verglasung 201
5.2.6 Hinterlüftung des Sonnenschutzes 201
5.2.7 Nutzerverhalten 202
5.2.8 Flächenanteil der transparenten Außenbauteile 202
5.2.9 Orientierung der transparenten Außenbauteile 204
5.2.10 Neigungswinkel transparenter Außenbauteile 205
5.2.11 Art und Intensität der Raumlüftung 206
5.2.12 Wärmespeicherfähigkeit der raumumschließenden Bauteile 207
5.2.13 Raumgeometrie 208
5.2.14 Gebäudestandort 208
5.3 Temperaturamplitudenverhältnis und Phasenverschiebung 209
5.4 Nachweis nach DIN 4108-2 213
5.4.1 Nachweisprinzip 213
5.4.2 Sonneneintragskennwert S 214
6 Vereinfachte Berechnung des Heizenergiebedarfs 219
6.1 Allgemeines 219
6.2 Begriffe 219
6.3 Wärmeverluste 221
6.3.1 Transmissionswärmeverlust 221
6.3.2 Lüftungswärmeverlust 222
6.4 Wärmegewinne 222
6.4.1 Interne Wärmegewinne 222
6.4.2 Solare Wärmegewinne 223
6.5 Jahres-Heizwärmebedarf 224
6.6 Jahres-Heizenergiebedarf 225
7 Bemessung von Gebäudegründungen zur Vermeidung von Frosthebungen 226
7.1 Einführung 226
7.2 Begriffe 226
7.2.1 Gründungstiefe 226
7.2.2 Frostindex 226
Frostindex für einen Winter 226
Bemessungswert des Frostindexes 228
7.2.3 Frosteindringtiefe 231
7.3 Bodenplatten auf Erdreich bei beheizten Gebäuden 231
7.3.1 Fall 1 – ausschließlich vertikale Randdämmung 232
7.3.2 Fall 2 – zusätzlich horizontale Erdreichdämmung in den Ecken 232
7.3.3 Fall 3 – zusätzlich horizontale Erdreichdämmung um das Gebäude 233
7.4 Numerische Berechnungen 235
7.4.1 Allgemeines 235
7.4.2 Randbedingungen 235
Modellbildung 235
Erdreicheigenschaften 235
Bemessungsaußentemperatur / Berechnungszeitraum 236
7.4.3 Bemessungskriterium 237
8 Lüftung und Luftdichtheit 238
8.1 Luftbedarf 238
8.1.1 Raumluftqualität 238
„olf“ (vom lateinischen „olfactus“ = Geruchssinn) 238
„dezipol“ („pol“ vom lateinischen „pollutio“ = Verunreinigung) 239
Hinweise zur Auslegung raumlufttechnischer Anlagen 240
8.1.2 Zielsetzungen einer ausreichenden und kontrollierten Lüftung 240
Deckung des Sauerstoffbedarfs 240
Abfuhr von Luftschadstoffen 240
Senkung des CO2-Gehaltes 241
Reduzierung der Luftfeuchte 241
8.2 Luftdichtheit 242
8.2.1 Einführung 242
8.2.2 Anforderungen und Planungsempfehlungen gemäß DIN 4108-7 243
Anforderungen 244
Materialien 244
Planungsempfehlungen 244
8.2.3 Überprüfung der Luftdichtheit (Blower-Door Test) 248
Aufbau 248
Vorbereitung im Gebäude 249
Durchführung der Messung 250
8.3 Lüftungssysteme 252
8.3.1 Freie Lüftung 252
Antriebsmechanismen 252
Fugenlüftung 252
Freie Lüftung über Luftdurchlässe 253
Schachtlüftung 253
Fensterlüftung 254
8.3.2 Ventilatorgestützte Lüftung 256
Abluftsystem, zentral, ohne Wärmerückgewinnung 256
Abluftsystem, zentral, mit Wärmerückgewinnung 256
Abluftsystem, dezentral 257
Zuluftsystem 257
Zu-/Abluftsystem, zentral 257
Zu-/Abluftsystem, dezentral 258
8.4 Luftführung bei ventilatorgestützter Lüftung 260
8.4.1 Arten der Luftführung 260
Allgemeines 260
Quelllüftung 260
Mischlüftung 261
Verdrängungslüftung 261
8.4.2 Lüftungstechnische Zonierung von Nutzungseinheiten 261
Zuluftzone 261
Überströmzone 261
Abluftzone 261
8.4.3 Vortemperierung der Zuluft über Erdwärmetauscher 263
8.5 Wärmetauscher in Lüftungsanlagen 265
8.5.1 Verfahren zur Wärmerückgewinnung 265
Rekuperatives Verfahren 265
Regeneratives Verfahren 266
8.5.2 Kreuzwärmetauscher 266
8.5.3 Gegenstrom-Wärmetauscher 266
8.5.4 Kreisverbund-Wärmetauscher 267
8.5.5 Wärmerohre („heat-pipesfi) 268
8.5.6 Rotations-Wärmetauscher 268
8.5.7 Kapillar-Ventilatoren 269
8.6 Lüftungskonzepte für Wohngebäude 270
8.6.1 Allgemeines 270
8.6.2 Lüftungsstufen gemäß DIN 1946-6 270
8.6.3 Systeme der Wohnungslüftung gemäß DIN 1946-6 271
8.6.4 Notwendigkeit lüftungstechnischer Maßnahmen 272
8.6.5 Anrechenbarer Luftvolumenstrom durch Infiltration 272
8.6.6 Notwendige Außenluftvolumenströme 273
8.6.7 Darstellung der Anforderungssystematik 274
9 Thermische Behaglichkeit 276
9.1 Einführung 276
9.2 Wertepaar: Raumlufttemperatur vs. Oberflächentemperaturen 278
9.2.1 Raumlufttemperatur vs. Oberflächentemperatur insgesamt 278
9.2.2 Raumlufttemperatur vs. Fußbodentemperatur 280
9.2.3 Raumlufttemperatur vs. Deckentemperatur 281
9.2.4 Innenoberflächentemperatur verschiedener Bauteile 282
9.2.5 Raumlufttemperaturen bei unterschiedlichen Nutzungen 282
9.3 Raumlufttemperatur vs. Luftfeuchte 283
9.4 Raumlufttemperatur vs. Luftgeschwindigkeit 285
9.5 Analytische Bestimmung der thermischen Behaglichkeit nach DIN EN ISO 7730 285
9.5.1 Anforderungen 285
9.5.2 Bestimmung des vorausgesagten mittleren Votums (PMV) 287
9.5.3 Bestimmung des vorausgesagten Prozentsatzes an Unzufriedenen (PPD) 291
9.5.4 Bestimmung der Beeinträchtigung durch Zugluft (DR) 291
10 Literaturverzeichnis 296
10.1 Verordnungen und Veröffentlichungen 296
10.2 Normen und Richtlinien 298
Index 305