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PROFINE Bauphysik am Fenster P. Špiroch A.D. 2006.

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Präsentation zum Thema: "PROFINE Bauphysik am Fenster P. Špiroch A.D. 2006."—  Präsentation transkript:

1 PROFINE Bauphysik am Fenster P. Špiroch A.D. 2006

2 Programm - Wärmeschutz - Schallschutz

3 Wärmetransport Die drei Arten des Wärmetransport : - Wärmeleitung- Konduktion - Wärmeströmung- Konvektion - Wärmestrahlung- Radiation

4 Wärmeleitung - Konduktion Wärmeleitung: Transport der Wärme in festen Materialien und in Flüssigkeiten Wärme verbreitet sich immer aus der wärmeren Stelle in die kältere Stelle und dabei entsteht der Wärmestrom Bei Wärmeleitung sind zwei Fouriers-Gesetzte gültig

5 Wärmeleitung – stationär Das 1.Fouriers-Gesetzt für die stationäre Wärmeleitung (keine Änderung der Temperatur in der Zeit) q = -λ. grad Θ (W/m) q…………….Wärmestromdichte (W/m 2 ) λ …….……..Wärmeleitfähigkeit (W/mK) grad Θ……..Gradient der Temperatur (K/m) (Temperaturzuwachs mit der Lage dΘ/dx)

6 Wärmeleitfähigkeit λ (W/mK) Die Wärmeleitfähigkeit ist das Vermögen eines Stoffes thermische Energie mittels Wärmeleitung in Form von Wärme zu transportieren. Sie ist abhängig von: - Rohdichte - Porosität - Feuchtigkeit!

7 Wärmeleitung – instationär 2. Fouriers-Gesetz für instationäre Wärmeleitung

8 Wärmeleitung – instationär Temperaturleitfähigkeit (Wärmediffusivität): Dient der Beschreibung der zeitlichen Veränderung der räumlichen Verteilung der Temperatur durch Wärmeleitung als Folge eines Temperaturgefälles.

9 Wärmeleitung – Konduktion - Wie warm oder kalt sich ein Körper "anfühlt" wird im ersten Moment durch die Temperaturleitfähigkeit bestimmt; nach einiger Zeit (wenn das Temperaturfeld stationär wird) nur noch durch die Wärmeleitfähigkeit (λ) Materialα α Aluminium99Verputz0,58 Gold127Glaswolle0,58 PVC0,11Beton0,54 Holz0,12Glas0,50

10 Stationär oder instationär…? - Instationäre Wärmeleitung benutzen wir ausschliesslich dort, wo die Wärmekapazität maßgeblich das Verhalten des untersuchten Problemes beeinflusst – verschlechtert. - Stationäre Wärmeleitung führt fast immer (Wärmeverluste, Kondensationsprobleme etc.) zu Ergebnissen, die auf der Seite der Sicherheit stehen!

11 Stationär oder instationär…? …also – STATIONÄR !

12 Instationär - Zeitabhängiger Verlauf der Aussentemperatur - Innentemperatur an der Oberfläche verläuft (zeitlich) phasenverschoben - Wärmestrom lässt sich kumulieren – Wärmeverlust dan gemäss U-Wert

13 Wärmeströmung - Konvektion - Transport der Wärme in Flüssigkeiten und in Gasen. - In der Bauphysik am meisten vorhanden auf den inneren uns äusseren Oberflächen, die mit Luft umgeströmt werden. - Über das Newton-Gesetz kann der Wärmeübergang in der Grenzschicht definiert werden.

14 Wärmeströmung - Konvektion - Newtons-Gesetz über Wärmekonvektion

15 Wärmeübergangskoeffizient α (W/m 2 K) - Der Wärmeübergangskoeffizient beschreibt die Fähigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit, Energie von der Oberfläche eines Stoffes abzuführen bzw. an die Oberfläche abzugeben. - = Wärmeübergangswiderstand R s (m 2 K/W)

16 Wärmeübergangskoeffizient α (W/m 2 K) ist abhängig von: - Temperatur der Aussenluft - Temperatur der Oberfläche - Geschwindigkeit der Anströmung der Oberfläche - Rauheit der Oberfläche - Länge der Oberfläche - Evtl. Zustandsänderung an der Oberfläche (z.B. Kondensation oder Verdunstung)

17 Wärmeübergangskoeffizient α (W/m 2 K) α (W /m 2 K) / R s ( m 2 K/W) - Freie Innenoberfläche 8 / 0,13 - Ecken und für die Luft schlecht zugängige Stellen 4 / 0,25 - Fenster innen 8 / 0,13 - Aussenoberfläche Sommer 15 / 0,07 - Aussenoberfläche Winter 23 / 0,04 - Kondesation oder Verdunstung an d. Oberfläche / 0

18 Wärmestrahlung - Radiation - Es handlet sich um Übertragung von elektro-magnetischen Wellen mit den Wällenlängen zwischen 760 – 3000 nm. - Die Strahlungsfähigkeit der Körper ist bestimmt mit deren Temperatur, Farbe und der Rauheit der Oberfläche. - Glatte und helle Oberflächen strahlen weniger als raue und dunkle.

19 Wärmestrahlung - Radiation - Grosse Wirkung auf die Strahlung hat die Sauberkeit der Luft – ist in der Luft Wasserdampf in höheren Konzentrationen enthalten, saugt er einen Teil der Strahlungsenergie auf - Die Gesamtmenge der Strahlungsenergie, die auf die Oberfläche auftrifft wird teilweise absorbiert, teilweise reflektiert und teilweise geht sie durch. (Transmission)

20 Wärmestrahlung - Radiation Für die Wärmestromdichte bei der Radiation gilt das Stefan-Bolzmann Gesetz:

21 Wärmestrahlung - Radiation - Die meisten Oberflächen sind jedoch nicht schwarz, sondern grau, sodass deren Koeffizient der Strahlung um deren Emmisionsgrad ε verringert wird - Emmisionsgrad, oder Emmisivität ist Eigenschaft des Körpers Energie in Form von Wärme abzustrahlen

22 Wärmetransport ist ein komplexes Problem - Auf dem Fenster und allgemein am Bau wickeln sich ständig alle 3 Wege des Wärmetransportes ab. Um diese einfacher zu beschreiben, wurden die 3 Wege vereinfacht und in einen einzigen Weg (Wärmeleitung) praxisnah umgewandelt. - Für unsere Zwecke - wegen der niedrigen Wärmekapazität der Fensterkonstruktionen – reicht uns die stationäre Betrachtung des Wärmetransportes

23 Wärmedurchlasswiderstand R λ - Deshalb beschränkt sich für uns der Wärmetransport auf die bekannten Begriffe - Wärmedurchlasswiderstand R λ (m 2 K/W) und U-Wert (W/m 2 K)

24 U Wert - U ist eine Reziproke des Wärmedurchgangs - Wärmedurchgang ist die Summe der Wärmedurchlasswiderstände R λ der jeweiligen Schichten des Bauteils und der Wärmeübergangswiderstände R si und R se

25 U Wert - Der U-Wert sagt uns, wieviel Wärme in Watt geht durch eine Fläche von 1m 2 bei Temperaturunterschied zwischen Innen und Aussen von 1K (…1°C). - Der eigentliche Wärmestrom in Watt wird dann wie folgt berechnet…

26 Wärmestrom

27 Wärmeverlust - Wollen wir die Energiekosten berechnen, müssen wir den Wärmestrom mit der Zeit multiplizieren

28 Rechenbeispiel - Im Haus mit 25 m 2 Fenster mit U=3,0 W/m 2 K werden die Fenster gewechselt. Die neuen Fenster haben U=1,3 W/m 2 K. - Die Heizperiode beträgt 156 Tage, durschnittliche Temperaturen innen sind 20°C, aussen –5°C. - Die Gesamtinvestition in die neuen Fenster beträgt günstige kWh kostet 0,1. - Wann wird die Investition mit der gesparten Energie bezahlt?

29 Ergebnis 6,79 Jahre

30 U-Wert des Fensters

31 Linearer Wärmedurchgangskoef.Ψ - Berücksichtigt die lokale Wärmebrücke im Randverbund des Isolierglases - Für Aluminiumabstandshalter im Kunststoff-Fenster ist ψ = 0,06 W/mK - Heutige beste Abstandshalter wie z.B. SWISSPACER V 2 oder SuperSpacer haben ψ = 0,03 W/mK

32 Einfluss des Ψ Wertes - Fenstergrösse 1,2 x 1,5 m-> Gesamtfläche 1,8 m 2 - Rahmenfläche = 0,59 m 2 U f = 1,3 W/m 2 K - Glasfläche = 1,21 m 2 U g = 1,1 W/m 2 K - Länge des Randverbundes = 4,44 m - Ψ = 0,06 W/mK (Al)Ψ = 0,03 W/mK (SuperSpacer) - U w = 1,31 W/m 2 K U w = 1,24 W/m 2 K

33 Fenster U-Wert – Zusammenhänge - U Wert ist ein Durchschnittswert des Wärmetransportes durch das Fenster - Er ist abhängig unter anderem auch von: - Grösse des Fensters - Qualität des Glasabstandshalters - Tiefe des Glaseinstandes - Bautiefe des Systems und seiner Kammerkonstruktion - Qualität der Verglasung (Emmisivität der Funktionsschicht + Qualität der Gasfüllung im SZR)

34 Fenster U-Wert – Zusammenhänge

35 U-Wert Berechnung auf dem Bau

36 Temperaturverteilung (TV) in Konstruktionen - U-Wert selbst reicht nicht um die Wärmeverteilung in den Konstruktionen zu beschreiben! - TV ist wichtig um Wärmebrücken und Kondensation des Wasserdampfes zu entdecken um diese vermeiden oder begrenzen zu können. - Es wird üblicherweise in 2D durchgeführt - Ergebniss sind Isothermen und Verteilung der Wasserdampfkonzentration in der Konstruktion - Es kann somit auch der U-Wert von komplexen Detailen ermittelt werden

37 Temperaturverteilung in Konstruktionen - Ermöglicht die Wärmebrücken zu entdecken - Ermöglicht auch festzustellen, ob und evtl. wo Kondensation des Wasserdampfes vorkommt. - Die Oberflächenkondensation ist konsequent zu vermeiden – sonst entsteht Schimmelpilz! - Kondensation auf den Oberflächen, sowie in den Konstruktionen führt zu Bauschäden, die am schwierigsten zu sanieren sind!

38 Temperaturverteilung

39 Izothermen

40 Feuchteverteilung

41 Kondesation in der Konstruktion

42 Behaglichkeit Ein Raum wird als behaglich empfunden, wenn die Differenz zwischen : - Wandoberflächentemperatur und Raumluft weniger als 4 °C - Fuß- bis Kopfhöhe weniger als 3 °C - Wandoberflächentemperaturen (Strahlungsasymmetrie) weniger als 5 °C beträgt und - die Luftgeschwindigkeit und ihre Turbulenz klein ist (keine Zugerscheinungen). - Dabei bedingt die unterschiedliche Raumnutzung individuelle Temperaturwünsche der Nutzer. Erfahrungsgemäß gelten als behaglich: - Wohnraum ( ) °C - Schlafraum ( ) °C - Bad ( ) °C

43 Behaglichkeitsempfinden des Menschen

44 Tauwasserproblematik – Diffusion des Wasserdampfes - Baunormen und Vorschriften fordern streng: Die Fugen zur Aussenumgebung sind dauerhaft luftundurchlässig abzudichten…! - Weil Wasserdampfmoleküle kleiner sind, als Luftmoleküle, bedeutet luftdicht nicht automatisch wasserdampfdicht !

45 Tauwasserproblematik - In bewohnten Räumen wird jedoch Wasserdampf ständig produziert durch: - Atmen - Kochen - Waschen - Pflanzen und Tiere - Sex

46 Tauwasserproblematik - Falls diese Feuchtigkeit nicht durch Lüften entfernt wird, steigt deren Konzentration in der Luft. Die Folge ist die Kondensation an den kältesten Oberflächen (Ecken, Fenster, Leibungen, Brüstung, Schraubenköpfen etc.) - Diese führt zu Schimmelpilz und weiteren Bauschäden - Deshalb ist die Oberflächenkondensation zu vermeiden!

47 Luft und Feuchtigkeit - Die Luft enthält den Wasserdampf. - Die Menge des Wasserdampfes, die die Luft binden kann ist von der Temperatur der Luft abhängig. - Je wärmer die Luft, desto mehr Wasserdampft kann sie binden! - Relative und absolute Feuchtigkeiten sind also dirket mit der Temperatur der Luft verbunden!

48 Abhängigkeit der rel. Luftfeuchte auf der Temperatur

49 Taupunkt-Temperaturen

50 Luft und Feuchtigkeit 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 g/m3 1,382,143,244,846,809,4012,8017,3023,0030, °C -10 °C -5 °C 0 °C 5 °C 10 °C 15 °C 20 °C 25 °C 30 °C

51 Richtige Raumlüftung - Heizung ausschalten. - Kurzfristige intensive Lüftung mit voll geöffneten Fenstern - Der einfachste Indikator ist die äussere Fensterscheibe – bis die beschlagen bleibt – wird gelüftet! - Heizung nach dem Lüften wieder einschalten.

52 Richtige Raumlüftung - So wird am schnellsten die feuchte Innenluft mit der trockenen Aussenluft ersetzt, ohne dass die Innenkonstruktionen abgekühlt werden - Die Wärmekapazität der Innenluft ist so gering, dass mittels der Stosslüftung am wenigsten Energie verloren geht. - Dauerhafte Lüftung mittels Kippstellung des Flügels ist dagegen eine ungeiegnete und wärmevegeudende Art !

53 Richtige Raumlüftung - Die trockene Luft, die von Aussen kommt, wird auch schneller erwärmt, als feuchte Luft. - Bei der trockenerer Luft reichen auch niedrigere Temperaturen um sich behaglich zu fühlen!

54 END OF PART 1 PAUSE

55 Schallschutz - Weil sich die in jeweiligen Ländern gültigen Normen unterscheiden, erwähnen wir hier nur die allgemeinen Prinzipien und Regel. - Luftschall (verbreitet sich in Luft und mit Luft!) - Körperschall (Trittschall) - Menschliches Gehör - Frequenzbereich 16Hz – Hz - Im Bauwesen benutzen wir am meisten Frequenzbereich 100 – 5000 Hz

56 Schalldämm-Mass am Fenster - Wird vom Rahmenmaterial, Dichtungen, Beschlag und Verglasung bestimmt - Steigt grundsätzlich mit der Masse (Gewicht) - Sinkt immer mit Undichtheiten - Jede Resonanz verschlechtert das Schalldämm-Mass! - Resonanzen am Glas sind deshalb mit unterschiedlichen Glasdicken zu begrenzen

57 Schallschutz - Die Kennwerte werden auf den Prüfständen ohne Schall- Nebenwege ermittelt – Schalldämm-Mass R w (dB) - Am Bau werden spielen auch die Nebenwege mit (Anschlussfuge) – R´ w (dB) - Der Verlust am Bau ist üblicherweise ca. 2dB, jedoch kann bei wenig schallisolierenden Nebenkonstruktionen auch 20 dB betragen! - Deshalb ist es sehr wichtig das gewünschte Schalldämm-Mass direkt am Bau zu überprüfen!

58 Schalldämm-Mass

59 Schalldämmung - Es wird auch das Spektrum der Geräusche berücksichtigt mit dem Spektrum-Anpassungswerten C und C TR. - z.B. R w = 38 (-1,-5) dB - Ausschreibungswert R w +C TR >35 dB ist damit NICHT erfüllt!

60 Allgemeine Regel - Eine Verdoppelung der Lautstärke bedeutet Erhöhung des Schalldruckspegel um 10dB - Um die Lautstärke zu verdoppeln brauchen wir immer eine zehnfachere Schallleistung! - Eine doppelte Schallleistung bedeutet Erhöhung des Schalldruckspegel um 3dB. - 1dB Unterschied nimmt der Mensch nicht wahr.

61 Allgemeine Regel - Je dichter ein Fenster, desto höher das Schalldämm-Mass - Je dicker die Glasscheiben, desto besser das Schalldämm-Mass - Mit der Dämmung des Hohlraums zwischen Randverbund Isolierglases und Glasfalz erhöht sich auch das Schalldämm-Mass - Zwei unterschiedliche Glasstärken verbessern Resonanzverhalten und erhöhen das Schalldäm-Mass um ca. 3dB

62 Allgemeine Regel - Je breiter der SZR, desto besser das Schalldämm-Mass (siehe Kastenfenster) - Schwergasfüllung im SZR verbessert Resonanzverhalten des SZR. - Gewicht im Rahmen und Flügel verbesser den Schalldämm-Mass - Spezielle Massnahmen – z.B. AluFusion vebessern Schalldämm- Mass - Montage beeinflusst DRAMATISCH das Schalldämm-Mass R´ w !!!

63 Fugenausbildung - Eine Fuge, durch die Luft durchgehen kann, dämmt so gut, wie nicht. - Je luftdichter die Anschlussfuge durchgeführt wird, somit besser auch das Schalldämm-Mass - Mit PU-Schaum ausgefüllte und abgeschnittene Anschlussfuge hat R w =24dB - Mit PU-Schaum ausgefülte und versiegelte Anschlussfuge hat R w =51dB

64 Fugenausbildung - Das Schalldämm-Mass der Anschlussfuge verbessern auch mit folgenden Massnahmen: - Versetzte Fuge - Verleistung (Deckleisten) - Versiegelung mit Abdichtungsbändern mit hoher Komprimierung (1:4 – 1:5) oder mit Folien - Beidseitige Anordnung von Abdichtungen

65 SCHLUSS !


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