Energieeffiziente Bauelemente

Die erste Ölkrise 1973 ist ursächlich für die Wärmeschutzverordnung 95 [1], die durch die erste Energieeinsparverordnung EnEV 2002 [2] abgelöst wird.

Die Messung der wärmetechnischen Eigenschaften von Rahmen, Gläsern und Fenstern wird immer mehr durch Berechnungen ersetzt. Europäische Regelwerke lösen die deutschen Normen zur Ermittlung der Wärmedurchgangskoeffizienten ab. Der U-Wert ersetzt den k-Wert. Zeitgleich zur Einführung der EnEV 2002 lösen bei der Überarbeitung der DIN 4108-4 [3] detaillierte Uf-Werte die Rahmenmaterialgruppen ab.
Das Passivhausinstitut in Darmstadt entwickelt Mitte der 1990er den Standard des Passivhauses, was die Entwicklung hochwärmedämmender Fensterkonstruktionen vorantreibt. Diese bestehen aus wärmegedämmten Rahmenprofilen und 3-fach-Wärmedämmglas mit wärmetechnisch verbesserten Abstandhaltern mit erhöhtem Glaseinstand.

Forschungsvorhaben Hochwärmedämmende Fenstersysteme [4]
In Niedrigenergie- und Passivhäusern kommen vermehrt hochwärmedämmende Fenstersysteme zum Einsatz. Als Rahmenmaterialien wird neben Holz und PVC vor allem PU eingesetzt. In Verbindung mit Dreischeiben-Isolierverglasungen sind Wärmedurchgangskoeffizienten für das Fenster von deutlich unter 1 W/(m2 K) machbar.
Durch die verbesserte Dämmung von Glas und Rahmen treten weniger beachtete Wärmebrücken deutlicher zum Vorschein. Sie führen zum einen zu erhöhten Wärmeverlusten, zum anderen auch bei den hochgedämmten Konstruktionen zu Tauwasser. Folgende wärmetechnisch kritischen Bereiche hochdämmender Fensterkonstruktionen sollten untersucht werden, wobei auch die Gebrauchstauglichkeit des Fensters im Fokus stand:

• Isolierglasrandverbund: Einsatz thermisch verbesserter Abstandhalter;
• Isolierglasrandverbund: Erhöhter Glaseinstand im Fensterrahmen; Auswirkungen auf die Gebrauchstauglichkeit;
• Anschluss zum Baukörper: Heutige Bewertungsregeln für den Wärmedurchgang sowie Montagerichtlinien sind auf neue Fensterkonstruktionen und hochgedämmte Wandaufbauten nur bedingt anwendbar
  

Ergebnisse des Forschungsvorhabens
Wärmetechnische Analyse
Die Uw-Werte wurden rechnerisch und messtechnisch ermittelt. Die Berechnung liegt im Regelfall auf der sicheren Seite. Auch wenn die numerischen Berechnungen der Rahmenprofile durch unterschiedlich „rechnende Stellen“ (PHI und ift Rosenheim) eine gute Übereinstimmung liefern, müssen viele Dinge besser definiert werden. Schwierig ist die Ermittlung der Eingangskennwerte für die numerische Berechnung. Für die Ermittlung der Psi-Werte wird schon damals ein Ersatzmodell vorgeschlagen.
Tiefer Glaseinstand
Die Untersuchungen zeigen, dass die thermisch induzierten Spannungen, bedingt durch einen tiefen Glaseinstand in Verbindung mit hochwärmedämmenden Rahmen, zu keinem signifikant höheren Glasbruchrisiko führen als ein „normaler“ Glaseinstand von ca. 15 mm.
Gebrauchstauglichkeit
Verschiedene Untersuchungen an den Holz-Dämmstoffverbundkanteln und an dem Kunststofffenstersystem ermöglichten Aussagen zur Gebrauchstauglichkeit der Fenster bei realen Belastungssituationen. Prinzipiell ließen sich die Fenstersysteme als gebrauchstauglich einstufen. Trotzdem bedurften einige Bereiche einer Optimierung, um eine Einschränkung der Gebrauchstaug-lichkeit dauerhaft zu minimieren.

Weitere Entwicklung
Bis zu den 90er-Jahren reichen vereinfachte pragmatische Ansätze (Verwendung von Rahmenmaterialgruppen) aus. Zur Jahrtausendwende verstärken die europäischen Berechnungsnormen jedoch die U-Wert-Olympiade. Die EN ISO 10077-2 [5] ermöglicht die Ermittlung des U-Werts von Rahmenprofilen durch numerische Simulation. Während europaweit nur wenige Stellen den U-Wert (bzw. k-Wert) ermitteln konnten, erhöhte sich durch teilweise kostenlose Verfügbarkeit von Software zur Berechnung wärmetechnischer Eigenschaften von Fenstern schnell die Anzahl von „Simulanten“. Es gab starke Abweichungen bei den Resultaten.
In Zusammenarbeit mit dem Arbeitskreis Warme Kante des Bundesverbands Flachglas (BF) wurden mehrere Forschungsvorhaben zur Ermittlung des linearen Wärmedurchgangskoeffizienten Psi durchgeführt [6, 7, 8]. Ziel war es, Psi-Werte für einen „fairen“ Vergleich der Leistungseigenschaften zu ermitteln. Zum anderen sollten Berechnungs- und Anwendungsregeln eine Verwendbarkeit der berechneten Psi-Werte für einen großen Produktbereich ermöglichen. Letztendlich entstanden hieraus mehrere ift-Richtlinien, die die Ermittlung von repräsentativen Psi-Werten sowohl für Fenster als auch für Fassaden erlauben [9, 10, 11]. Die Werte werden in zugehörigen Datenblättern des BF publiziert.

Aktueller Sachstand
Dreifach-Wärmedämmgläser haben sich in Deutschland mehr und mehr durchgesetzt. Der Anteil von Dreifach-Glas liegt in 2015 bei fast 60 % [12]. Ebenso hat sich der Einsatz von wärmetechnisch verbesserten Abstandhaltern 2015 mit einer Quote am Gesamtmarkt von leicht über 60 % etabliert.
Die wärmetechnisch verbesserten Fensterrahmenprofile ermöglichen schon seit langem Gesamt-U-Werte von deutlich unter 1,0 W/(m2 K). Jedoch beschränkt sich die Energieeffizienz eines Fensters nicht auf die reinen Wärmeverluste, ausgedrückt durch den U-Wert, sondern wird bestimmt durch die Bilanzierung von Wärmeverlusten (Wärmedurchgang U und Luftdichtheit) und Wärmegewinne (g-Wert). Dies wird auch in einer Studie der europäischen Kommission im Rahmen von Analysen zur Ökodesign-Richtlinie dargestellt.

Zur Erinnerung: Im Rahmen der Wärmeschutzverordnung existierte bereits eine identische Bilanzierungskenngröße, der sog. äquivalente k-Wert – eine sinnvolle Kenngröße, die leider den Einzug in die EnEV nicht geschafft hat.

Neben der Darstellung der Energieeffizienz in Bilanzkennwerten wurde auch verstärkt die Einführung eines Energy-Labels für Fenster diskutiert. Freiwillige nationale Label schossen in Europa wie die Pilze aus dem Boden. Im Jahr 2015 waren es immerhin 13 unterschiedliche Systeme. Eine Vereinheitlichung wäre unter dem Motto „Eine Prüfung für Europa“ sinnvoll. Das ift Rosenheim hat hierzu einen Vorschlag für ein kostenloses Label erarbeitet: http://www.ift-service.de/energy/index.faces.

Neben der Energieeffizienz für den Winter (Heizfall) wird auf dem Label auch der Sommer (Kühlfall) dargestellt. Dies ist für einen europäischen Ansatz essenziell, da insbesondere in Südeuropa der Energieverbrauch für das Kühlen von Gebäuden deutlich höher sein kann als der für die Beheizung.
Durch die Steigerung der Energieeffizienz von Fenstern sowie anderer Komponenten der Gebäudehülle treten aber auch neue Fragestellungen auf. Zur Verringerung der Trans-missionswärmeverluste über Außenwände wurden Ziegel mit hochwärmedämmenden Eigenschaften entwickelt. Die Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit der Mauersteine erfolgt zum einen durch eine Erhöhung der Lochreihenzahl, geringere Stegdicken und geringere Scherbenrohdichten; zum anderen wurde die Wärmeleitfähigkeit durch Füllung der Lochungen mit Dämmstoffen reduziert. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Fenster bezüglich Wärmeschutz, Sicherheitstechnik und Bauakustik. Die Befestigung von Fenstern und Fenstertüren in hochwärmedämmendem Mauerwerk wird durch die gleichzeitige Verringerung der mechanischen Festigkeiten der Steine zunehmend schwieriger. Aktuell führt das ift Rosenheim hierzu zwei Forschungsvorhaben durch [13, 14].

Fazit
Eine reine U-Wert-Betrachtung ist allerdings zu kurzsichtig. Das multifunktionale Fenster darf nicht nur anhand seiner Energiegewinne und -verluste beurteilt werden, sondern ist im Kontext zu sehen mit dem Gebäude, der Haustechnik und dem gesamten Energiemanagement.