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

Programm Wärmeschutz Schallschutz

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

Wärmeleitung - Konduktion 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

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/m2) λ …….…….. Wärmeleitfähigkeit (W/mK) grad Θ…….. Gradient der Temperatur (K/m) (Temperaturzuwachs mit der Lage dΘ/dx)

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!

Wärmeleitung – instationär 2. Fouriers-Gesetz für instationäre Wärmeleitung

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

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) Material α Aluminium 99 Verputz 0,58 Gold 127 Glaswolle PVC 0,11 Beton 0,54 Holz 0,12 Glas 0,50

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!

Stationär oder instationär…? …also – STATIONÄR !

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

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.

Wärmeströmung - Konvektion Newtons-Gesetz über Wärmekonvektion

Wärmeübergangskoeffizient α (W/m2K) Der Wärmeübergangskoeffizient beschreibt die Fähigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit, Energie von der Oberfläche eines Stoffes abzuführen bzw. an die Oberfläche abzugeben. = Wärmeübergangswiderstand Rs (m2K/W)

Wärmeübergangskoeffizient α (W/m2K) 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)

Wärmeübergangskoeffizient α (W/m2K) α (W /m2K) / Rs ( m2K/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 10000 / 0

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.

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)

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

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

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

Wärmedurchlasswiderstand Rλ Deshalb beschränkt sich für uns der Wärmetransport auf die bekannten Begriffe - Wärmedurchlasswiderstand Rλ (m2K/W) und U-Wert (W/m2K)

U Wert U ist eine Reziproke des Wärmedurchgangs Wärmedurchgang ist die Summe der Wärmedurchlasswiderstände Rλ der jeweiligen Schichten des Bauteils und der Wärmeübergangswiderstände Rsi und Rse

U Wert Der U-Wert sagt uns, wieviel Wärme in Watt geht durch eine Fläche von 1m2 bei Temperaturunterschied zwischen Innen und Aussen von 1K (…1°C). Der eigentliche Wärmestrom in Watt wird dann wie folgt berechnet…

Wärmestrom

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

Rechenbeispiel Im Haus mit 25 m2 Fenster mit U=3,0 W/m2K werden die Fenster gewechselt. Die neuen Fenster haben U=1,3 W/m2K. Die Heizperiode beträgt 156 Tage, durschnittliche Temperaturen innen sind 20°C, aussen –5°C. Die Gesamtinvestition in die neuen Fenster beträgt günstige 2700€. 1kWh kostet 0,1€. Wann wird die Investition mit der gesparten Energie bezahlt?

Ergebnis 6,79 Jahre

U-Wert des Fensters

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 V2 oder SuperSpacer haben ψ = 0,03 W/mK

Einfluss des Ψ Wertes Uw = 1,31 W/m2K Uw = 1,24 W/m2K Fenstergrösse 1,2 x 1,5 m -> Gesamtfläche 1,8 m2 Rahmenfläche = 0,59 m2 Uf = 1,3 W/m2K Glasfläche = 1,21 m2 Ug = 1,1 W/m2K Länge des Randverbundes = 4,44 m Ψ = 0,06 W/mK (Al) Ψ = 0,03 W/mK (SuperSpacer) Uw = 1,31 W/m2K Uw = 1,24 W/m2K

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)

Fenster U-Wert – Zusammenhänge

U-Wert Berechnung auf dem Bau

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

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!

Temperaturverteilung

Izothermen

Feuchteverteilung

Kondesation in der Konstruktion

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 (20 ... 22) °C Schlafraum (16 ... 18) °C Bad (24 ... 26) °C

Behaglichkeitsempfinden des Menschen

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 !

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

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!

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!

Abhängigkeit der rel. Luftfeuchte auf der Temperatur

Taupunkt-Temperaturen

Luft und Feuchtigkeit 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 -15 °C -10 °C -5 °C 0 °C 5 °C 10 °C 15 °C 20 °C 25 °C 30 °C g/m3 1,38 2,14 3,24 4,84 6,80 9,40 12,80 17,30 23,00 30,30

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.

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 !

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!

END OF PART 1 PAUSE

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 – 20000 Hz Im Bauwesen benutzen wir am meisten Frequenzbereich 100 – 5000 Hz

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

Schallschutz Die Kennwerte werden auf den Prüfständen ohne Schall- Nebenwege ermittelt – Schalldämm-Mass Rw (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!

Schalldämm-Mass

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

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.

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

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 !!!

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 Rw=24dB Mit PU-Schaum ausgefülte und versiegelte Anschlussfuge hat Rw=51dB

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

SCHLUSS !