Wärmebrücken Teil 3 – Einfluss auf den Heizenergiebedarf

Jeder hat schonmal in den verschiedensten Kontexten davon gehört: Wärmebrücken. Umgangssprachlich werden diese oft Kältebrücken genannt, weil es an diesen Stellen eben kalt ist. Der Fachbegriff Wärmebrücken leitet sich allerdings davon ab, dass an solchen Stellen die Wärme besser aus dem Raum abfließen kann. An diesen Stellen bilden sich oft Schimmelpilze oder Stockflecken. Um zu verstehen, wie Wärmebrücken entstehen, wie man einer Problematik mit eben diesen umgehen kann, und was das Ganze für die Energiebilanz des Gebäudes zu tun hat, möchte ich euch in der folgenden Themenreihe einen kleinen Einblick in die spannende Welt der Wärmebrücken geben. In Teil 1 ging es um das generelle Verständnis von Wärmebrücken und wie sie entstehen. Teil 2 widmet sich der besonderen Problematik von Schimmelpilzen und warum sie hauptsächlich an Wärmebrücken entstehen. Teil 3 wird auf die Wärmebrücken im EnEV-Nachweis eingehen und zeigen, wie sich Wärmebrücken auf die benötigte Heizenergie auswirken. Teil 4 wird einige Praxisbeispiele und gute Lösungen für Wärmebrückenprobleme beinhalten.

Die Theorie werden wir nun hinter uns lassen und uns kopfüber in die Nachweispraxis stürzen. Die Energie-Einsparverordnung ist in den unterschiedlichen Bundesländern durch Verordnungen eingeführt worden, der nachzuweisende Umfang ist aber deutschlandweit gleich. In §7 der EnEV wird explizit auf den Mindestwärmeschutz und Wärmebrücken eingegangen:

„(1) Bei zu errichtenden Gebäuden sind Bauteil, die gegen Außenluft, das Erdreich oder Gebäudeteile mit wesentlich niedrigeren Innenraumtemperaturen abgrenzen, so auszuführen, dass die Anforderungen des Mindestwärmeschutzes nach den anerkannten Regeln der Technik eingehalten werden. Ist bei zu errichtenden Gebäuden die Nachbarbebauung bei aneinandergereihter Bebauung nicht gesichert, müssen die Gebäudetrennwände den Mindestwärmeschutz nach Satz 1 einhalten.

(2) Zu errichtende Gebäude sind so auszuführen, dass der Einfluss konstruktiver Wärmebrücken auf den Jahres-Heizwärmebedarf nach den anerkannten Regeln der Technik und den im jeweiligen Einzelfall wirtschaftlich vertretbaren Maßnahmen so gering wie möglich gehalten wird.

(3) Der verbleibende Einfluss der Wärmebrücken bei der Ermittlung des Jahres-Primärenergiebedarfs ist nach Maßgabe des jeweils angewendeten Berechnungsverfahrens zu berücksichtigen. Soweit dabei Gleichwertigkeitsnachweise zu führen wären, ist dies für solche Wärmebrücken nicht erforderlich, bei denen die angrenzenden Bauteile kleinere Wärmedurchgangskoeffizienten aufweisen, als in den Musterlösungen der DIN 4108 Beiblatt2: 2006-3 zugrunde gelegt wird.“

Der Grundsatz lautet also zuerst einmal, dass der Mindestwärmeschutz eingehalten werden muss, damit es nicht schon alleine auf Grund einer normalen Raumlufttemperatur und -feuchte anfängt zu schimmeln (wie ich euch in Teil 2 erklärt habe). Erst danach geht es um den rechnerischen Einfluss auf den Heizenergie- und damit auf den Primärenergiebedarf. Um diesen herauszufinden, muss man als erstes die Wärmebrücke mit einem geeigneten Programm mit Finite-Elemente-Methoden simulieren. Dazu wird ein 2D-Modell erstellt und stationär (d.h. mit festen Randbedingungen) berechnet. Heraus kommt eine Verteilung des Wärmestroms und der Temperatur innerhalb des Bauteils (den Wärmestrom kann man auf die Temperatur umrechnen) und diese ist, wie man im Bild erkennen kann, durch die konstruktive Ecke nicht mehr gleichmäßig.

Und jetzt kommt der bilanzielle Clou: Die Rechenverfahren nach DIN V 4108-6:2003-6 und DIN V 18599-1:211-12 (wo die beiden zu verwendenden Rechenverfahren nach EnEV beschrieben sind) beziehen sich in der Abmessung der Bauteile auf bestimmte Modellmaße. Im Horizontalschnitt der Außenecke (die hier ja unser Beispiel ist) gibt es den Außenmaßbezug. Die Fläche wird also von Außenkante zu Außenkante berechnet und über den U-Wert der Wärmeverlust über die gesamte Wand bestimmt. Durch die Simulation haben wir aber gesehen, dass sich die Temperatur an der Ecke ändert. Diese Differenz können wir mit einem detaillierten Wärmebrückennachweis korrigieren – und in eigentlich fast allen Fällen wird der Wert besser, als der pauschale Wert ohne Nachweis. Dadurch wird der berechnete benötigte Primärenergiebedarf geringer, oder es kann für das gleiche Ergebnis ein anderer Bauteilaufbau mit weniger Dämmung gewählt werden.

Um den Einfluss zu verdeutlichen, habe ich hier ein Praxisbeispiel: Ein mittelgroßes EFH mit 150qm Wohnfläche, 2-geschossig ohne Keller mit Walmdach in Klinkerbauweise. Anlagentechnik: Wasser/Wasser-Wärmepumpe, elektrisch nachgeheiztes Trinkwarmwasser, Fußbodenheizung, zentrale Lüftungsanlage.

Um den EnEV-Nachweis einzuhalten ohne mich weiter um Wärmebrücken zu kümmern, benötige ich folgende U-Werte*:

Die meisten Neubauten werden gut und gewissenhaft gedämmt und erfüllen eigentlich immer die Anforderungen des Beiblatt 2 der DIN 4108. Erstellt man nun einen Gleichwertigkeitsnachweis, bedeutet man vergleicht die Konstruktionsprinzipien der eigenen Detailplanung mit den Konstruktionen im Beiblatt, so kann man den pauschalen Wärmebrückenkorrekturfaktor halbieren.

Werden die Wärmebrücken jetzt noch detailliert berechnet, ist ohne weitere Planungen, alleine durch den aufwendigeren Nachweis, fast immer eine weitere Halbierung des Wärmebrückenkorrekturfaktors möglich. Von 0,1 W/m²a über 0,05 W/m²a zu 0,025W/m²a sind also noch gar keine Planungsänderungen nötig, sondern lediglich mehr Nachweisaufwand.

Theoretisch liegt das Einsparpotenzial bei bis zu 2758€ – in diesem Beispiel. Alternativ kann man durch diese Berechnung auch an anderer Stelle, z.B. der Anlagentechnik sparen.

Wer noch mehr tun möchte, kann sich im Bereich der Passivhäuser umsehen. Dort ist es notwendig den Einfluss der Wärmebrücken auf 0 W/m²K zu reduzieren. Dies setzt allerdings eine Wärmebrücken-Planung voraus.  Möglich ist aber auch das.

Letztlich hoffe ich, dass ich euch zeigen konnte, dass sich die Berechnung der detaillierten Wärmebrücken am Ende finanziell rechnen kann. Ein guter Bauphysiker wird euch Varianten und Möglichkeiten aufzeigen, wie ihr euer angestrebtes Energieniveau erreichen könnt und wo ihr investieren müsst und wo ihr sparen könnt.

* Die Erklärungen in diesem Blog sind natürlich vereinfacht. Fachlich könnte man viele der Themen deutlich mehr ausarbeiten und komplexer beschreiben. Dazu kann man sich gerne der gängigen Fachliteratur bedienen.

Wärmebrücken Teil 2 – Wärmebrücken und Schimmel

Jeder hat schonmal in den verschiedensten Kontexten davon gehört: Wärmebrücken. Umgangssprachlich werden diese oft Kältebrücken genannt, weil es an diesen Stellen eben kalt ist. Der Fachbegriff Wärmebrücken leitet sich allerdings davon ab, dass an solchen Stellen die Wärme besser aus dem Raum abfließen kann. An diesen Stellen bilden sich oft Schimmelpilze oder Stockflecken. Um zu verstehen, wie Wärmebrücken entstehen, wie man einer Problematik mit eben diesen umgehen kann, und was das Ganze für die Energiebilanz des Gebäudes zu tun hat, möchte ich euch in der folgenden Themenreihe einen kleinen Einblick in die spannende Welt der Wärmebrücken geben. In Teil 1 ging es um das generelle Verständnis von Wärmebrücken und wie sie entstehen. Teil 2 widmet sich der besonderen Problematik von Schimmelpilzen und warum sie hauptsächlich an Wärmebrücken entstehen. Teil 3 wird auf die Wärmebrücken im EnEV-Nachweis eingehen und zeigen, wie sich Wärmebrücken auf die benötigte Heizenergie auswirken. Teil 4 wird einige Praxisbeispiele und gute Lösungen für Wärmebrückenprobleme beinhalten.

Wie bekannt wachsen Schimmelpilze ab ca. 80% relativer Feuchte*. Die relative Feuchte ist aber wiederum temperaturabhängig. Im Innenraum gilt: je kälter die Lufttemperatur, desto höher ist die relative Feuchte. Und was passiert, wenn es im Bereich einer Wärmebrücke kälter wird? Richtig: Zunächst erhöht sich an dieser Stelle die relative Feuchte. Und damit steigt die Gefahr von Schimmelpilzwachstum. Und das Schimmelpilzsporen gar nicht gut sind, das hat wohl mittlerweile jeder mitbekommen. Es geht also letztlich darum, die Oberflächentemperaturen von Wänden, Decken und Böden möglichst hoch zu halten, um keine Wachstumsbedingungen für Schimmelpilze zu schaffen. Eine Übersicht über Wachstumsbedingungen von Schimmelpilzen bieten sogenannte Isoplethendiagramme. Prof. Dr.-Ing. Sedlbauer von Fraunhofer-Institut für Bauphysik und der TU München hat lange dazu geforscht und diese Diagramme entwickelt.

Für jede Substratgruppe gibt es ein eigenes Diagramm. Substratgruppe 0 beschreibt ein optimales, biologische Vollmedium, dieses ist in Gebäuden nicht üblich (über den Schimmel in der Küche reden wir hier ja nicht 😉 ). Substratgruppe II sind biologisch nicht verwertbare Materialien, z. B. Metall. Substratgruppe I ist alles dazwischen: z. B. Tapeten, Holz, aber auch Staubablagerungen. Ihr seht, wir befinden uns bei unseren Betrachtungen im Gebäude eigentlich immer in Substratgruppe I. Auf der horizontalen x-Achse der Diagramme seht ihr nun die Temperatur von 0 bis 30°C. Auf der vertikalen y-Achse ist die relative Feuchte von 70 bis 100% aufgetragen. Die eigentlich Isoplethenlinien zeigen jetzt die Grenze an, an der Schimmel überhaupt zu wachsen anfängt. Interessieren tut uns der Einfachheit halber nur die unterste LIM 0: Ist die Temperatur bei 0°C brauchen Schimmelsporen mind. 95% relative Luftfeuchte, um überhaupt wachsen zu können. Bei 10°C sind es nur noch 80% und bei 20° (also normaler Raumtemperatur) reichen gut 75%.

Die relative Feuchte ist nun eigentlich nur eine Prozentangabe, wieviel Feuchtigkeit die Luft schon aufgenommen hat, bevor die Luft „gesättigt“ ist – also kein Wasser mehr aufnehmen kann. Die absolute Menge bleibt immer gleich. Beispiel: Bei 20°C kann die Luft 17,3g Wasser pro m² Luft aufnehmen. Kühlt man diese Luft auf 15° ab, ist die Kapazität schon bei 12,8g Wasser erschöpft. Hat die Luft bei 20°C eine relative Feuchte von 60% entsprechen das 10,4g Wasser. Kühlt man diese Luft auf 15°C ab, bleiben die 10,4g Wasser natürlich gleich – die relative Feuchte steigt aber auf knapp 80%. Um mal kurz auf unser Diagramm zu schauen: Bei 20° und 60% besteht keine Schimmelgefahr – bei 15° und 80% schon! Jetzt ist hoffentlich klar, warum eine Wärmebrücke so kritisch sein kann: Ohne an der Luft im Raum etwas zu ändern, kann die abgekühlte Luft an der Wärmebrücke Schimmelpilzwachstum begünstigen.

In der Planung wird der Feuchteschutz über die minimale Oberflächentemperatur nachgewiesen. In der DIN 4108-2 sind Grenzwerte angegeben, die an jeder Stelle im Gebäude eingehalten werden müssen. Man rechnet vereinfacht mit einer Außentemperatur von -5°C und einer Raumlufttemperatur von 20°C. Bei diesen Bedingungen darf die Temperatur an der kältesten Stelle 12,6°C nicht unterschreiten. Diesem Grenzwert lag folgende Annahme zu Grunde: Das Normklima im Innenraum wurde mit 20°C und 50% relative Luftfeuchte angenommen. Bei 12,6°C liegt die relative Feuchtigkeit somit bei 80%. Dies nahm man damals als Schwelle zu Schimmelpilzwachstum an, ein Blick in das Isoplethendiagramm zeigt uns allerdings, dass Schimmelpilze schon bei ca. 77% zu erwarten sind. Insofern ist eine Auslegung der Wärmebrücken auf 12,6°C zwar normgerecht, kann in der Praxis aber trotzdem zu Schimmel führen – und sollte daher nicht knapp-auf-Kante geplant werden.

Besonders kritisch werden Wärmebrücken, wenn von innen etwas die Oberfläche verdeckt, wie z. B. ein Eckschrank. Dieser wirkt wie eine kleine Innendämmung und verringert die Wärme, die an der Oberfläche der Wärmebrücke ankommt. Das Ergebnis ist, dass die Oberflächentemperatur unter die 12,6°C fällt und dort noch schneller Schimmel entstehen kann. Zusätzlich wird Schimmel in solchen Ecken besonders spät entdeckt.

Ihr seht, hinter der Wärmebrückenproblematik steckt eine direkte Gefahr für den Innenraum und die Wohngesundheit und sollte nicht ignoriert oder vernachlässigt werden. Aber auch rechnerisch sind Wärmebrücken unbedingt zu beachten, dazu erzähl ich euch aber im nächsten Teil etwas mehr.

* Die Erklärungen in diesem Blog sind natürlich vereinfacht. Fachlich könnte man viele der Themen deutlich mehr ausarbeiten und komplexer beschreiben. Dazu kann man sich gerne der gängigen Faechliteratur bedienen.