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Wärmebrücken

Unter „Wärmebrücken“ werden Stellen einer Gebäudehülle verstanden, an denen örtlich begrenzte Störungen in flächigen Bauteilen, welche Bereiche unterschiedlicher Temperaturen trennen, auftreten. Diese Störungen bewirken eine lokale Veränderung der Wärmestromdichte und eine Ablenkung der ansonsten normal auf die Fläche verlaufenden Wärmestromrichtung. Prinzipiell können vier Grundtypen von Wärmebrücken unterschieden werden, die Störungen in das Wärme- und Temperaturverhalten flächiger Bauteile bringen. Es können auch Kombinationen zwischen den Gruppen auftreten.

  • geometrisch bedingte Wärmebrücken, etwa eine Attika, eine Außenecke oder ein Fensteranschluss
  • materialbedingte Wärmebrücken, etwa eine Betonstütze in einer Ziegelwand oder ein Stahlträger in einer gedämmten Dachkonstruktion
  • massestrombedingte Wärmebrücken, etwa Luftströmungen durch Gebäude-Undichtigkeiten
  • umgebungsbedingte Wärmebrücken, etwa lokale Wärmequellen an der Wandinnenseite

Nach ihrer geometrischen Ausdehnung werden lineare und punktförmige Wärmebrücken unterschieden. Bauphysikalisch und baupraktisch sind Wärmebrücken in zweierlei Hinsicht relevant:

  • Erstens kann die die Summe aller Wärmebrücken den Transmissionsleitwert und somit den Heizwärmebedarf eines Gebäudes nennenswert erhöhen. Ohne sorgfältig wärmebrückenoptimierte Detailausbildung kann die wärmebrückenbedingte Erhöhung des Transmissionsleitwerts Größenordnungen >10 % jenes Transmissionsleitwerts ergeben, der sich allein aus den U-Werten ergeben hätte.
  • Zweitens können Wärmebrücken lokal die Temperaturen an oder in Bauteilen empfindlich verändern und bilden somit ein Gefahrenpotenzial für schädliche Kondensation in oder an diesen Bauteilen.

Berechnung des Wärmestroms durch Wärmebrücken

direkte Berechnung des mehrdimensionalen Wärmestroms

Die direkte Berechnung von Wärmeströmen durch wärmebrückenbehaftete Bauteile erfolgt mit iterativen numerischen Verfahren, in denen Bauteilabschnitte nach dem Prinzip der finiten Elemente in physikalische Modelle zerlegt und die Wärmeströme zwischen den so entstehenden Rasterflächen berechnet werden.

Eine vollständig realitätsnahe Berechnung erfordert die Berücksichtigung von Wärmeströmen in allen drei räumlichen Dimensionen (3D). Für viele Anwendungsfälle im Zusammenhang mit linear erstreckten Wärmebrücken kann man sich aber mit ausreichender Genauigkeit mit Betrachtung von Wärmeströmen in zwei räumlichen Dimensionen (2D) begnügen.

Die zweidimensionale Rechnung ist meist hinlänglich genau zur Berechnung des zusätzlichen Wärmestroms durch Bauteile mit linearen Wärmebrücken. Sie ist aber selbst bei linearen Wärmebrücken häufig unzureichend zur Beurteilung der Gefahr schädlicher Oberflächenkondensation, die ja typischerweise an Anfangs- und Endpunkten linearer Wärmebrücken, also an Stellen mit ausgeprägt dreidimensionalem Wärmestrom auftritt.

indirekte Berechnung mittels Wärmebrücken-Zuschlagskoeffizienten

Zur schnellen Berücksichtigung ausschließlich des erhöhten Wärmestroms in wärmebrückenbehafteten Bauteilen hat sich die sogenannte „indirekte Methode“ mittels Wärmebrückenzuschlagskoeffizienten etabliert. In dieser Methode wird aus der Differenz des tatsächlichen, mehrdimensionalen, Wärmestroms zu dem eindimensionalen Wärmestrom, der sich allein aus der Anwendung der U-Werte ergibt, ein Wärmebrücken-Zuschlagskoeffizient ermittelt, der, multipliziert mit der Ausdehnung der Wärmebrücke und der anliegenden Temperaturdifferenz, den erhöhten Wärmefluss aufgrund der Wärmebrücke abbildet. Bei linienförmigen Wärmebrücken wird der Wärmebrücken-Zuschlagskoeffizient als „ψ“ [griech. Psi] bezeichnet und hat die Dimension [W/m·K]. Bei punktförmigen Wärmebrücken wird der Wärmebrücken-Zuschlagskoeffizient als „ χ“ [griech. Chi] bezeichnet und hat die Dimension [W/K].

Der tatsächliche Leitwert eines wärmebrückenbehafteten Bauteils wird berechnet, indem zuerst der Leitwert des ungestörten Bauteils berechnet wird und dazu dann der zusätzliche Leitwert der Wärmebrücke, der sich aus dem Produkt des WärmebrückenZuschlagskoeffizienten mal seiner Ausdehnung ergibt, addiert wird.

Die Berechnung der Wärmebrücken-Zuschlagskoeffizienten ist normativ festgelegt in ÖNORM EN ISO 10211-1. Ihre Anwendung zur Berechnung der gesamten Wärmeverluste des Gebäudes ist normativ festgelegt in ÖNORM B 8110-6.

Es ist unbedingt zu beachten, dass die Wärmebrückenberücksichtigung mittels WärmebrückenZuschlagskoeffizienten ausschließlich Aussagen zur Größe des Wärmestroms, nicht aber zur minimalen Oberflächentemperatur im Bereich der Wärmebrücke liefert. Es können mit dieser vereinfachten Methode daher nur Fragen nach dem Transmissions-Wärmeverlust beantwortet werden, nicht aber nach der Gefahr schädlicher Kondensation in Bauteiloberflächen. Als baupraktische Erleichterung stellen die einschlägige Fachliteratur sowie die Baustoffindustriekataloge Auflistungen der Wärmebrücken-Zuschlagskoeffizienten häufig auftretender Wärmebrücken zusammen mit Vorschlägen zur wärmebrückenoptimierten Ausführung der entsprechenden Baudetails zur Verfügung.

Es ist weiters zu beachten, dass es eine unerlässliche Voraussetzung zur korrekten Anwendung der indirekten Methode ist, die bauphysikalische Modellbildung, mittels der „ψ“ oder „χ“ ermittelt wurden, genau zu kennen und zu berücksichtigen.

  • Das betrifft immer die Frage, für welche geometrischen Abmessungen der Leitwert des ungestörten Bauteils berechnet wurde bzw. zu berechnen ist.
  • Das betrifft weiters bei zweidimensionalen Wärmebrücken immer die Frage, entlang welcher Linie die Ausdehnung der Wärmebrücke zu bestimmen ist.
  • Größte Aufmerksamkeit ist letztlich bei allen Wärmebrücken geboten, bei denen mehr als zwei angrenzende Raumtemperaturen an den betrachteten Bauteil angrenzen. Typisches Beispiel sind etwa Deckeneinbindungen zwischen kaltem Keller und beheiztem EG. Für solche Konstellationen ermittelte ψ- oder χ-Werte gelten nur für eine der beteiligten Grenzflächen und auch immer nur für ein und dieselbe Kombination aus angrenzenden Raumtemperaturen.
  • Beurteilung des Kondensationsrisikos an Wärmebrücken

Beurteilung des Kondensationsrisikos an Wärmebrücken

Zur Beurteilung der Gefahr kritischer Oberflächenfeuchte und Tauwasserbildung im Bauteilinneren müssen die raumseitigen Oberflächentemperaturen im Bereich von Wärmebrücken ermittelt werden. Das kann mit eigener numerischer Berechnung oder mittels Bezugnahme auf ein identisches dokumentiertes Bauteil, das in einem der bereits erwähnten Wärmebrückenkataloge dokumentiert ist, erfolgen. Die indirekte Methode zur Berücksichtigung von Wärmebrücken mittels Wärmebrückenzuschlagskoeffizienten ist für diese Fragestellung ungeeignet.

Zur Beurteilung des Risikos von Tauwasser- oder Schimmelbildung wird der Temperaturfaktor fRsi [-] laut ÖNORM B 8110-2 und ÖNORM EN ISO 13788 verwendet.

 

Formel (4-05)
Formel (4-05)

 

Die Normanforderung zur Vermeidung von Schimmelbildung lautet fRsi ≥0,71.

Die Normanforderung zur Vermeidung von Tauwasserbildung lautet fRsi ≥0,69.

Laut ÖNORM B 8110-2 ist für Wohnungen und Räume vergleichbarer Widmung für die Raumlufttemperatur 𝜃i der Wert von 20 °C zu verwenden. Für die Außentemperatur ist an thermisch speicherfähigen Bauteilen der niedrigste Monatsmittelwert und an nicht thermisch speicherfähigen Bauteilen der niedrigste Tagesmittelwert am jeweiligen Klimastandort einzusetzen.

Laut ÖNORM B 8110-2 sind für die Berechnung von 𝜃Si zur Beurteilung des Kondensationsrisikos – abweichend von ÖNORM B 8110-1 – folgende Werte für den Wärmeübergangswiderstand einzusetzen:

innen:

  • RSi = 0,17 W/m²·K
  • RSi = 0,25 W/m²·K im Bereich des Wandanschlusses von Fenstern

außen:

  • RSe = 0,05 W/m²·K
  • RSe = 0 W/m²·K für erdberührte Bauteile

Wärmebrückenkatalog

Wärmebrücken sind meist Schwachstellen eines Gebäudes, bei denen an einzelnen Stellen mehr Wärme verloren geht als an anderen, gut gedämmten Flächen.

Ein 180 Seiten starker Wärmebrückenkatalog der Österreichischen Ziegelindustrie, aktuell in der zweiten Auflage April 2017, deckt im Prinzip die gesamte Bandbreite der in Österreich hergestellten Produkte ab und soll den Nachweis von detaillierten Wärmebrückenberechnungen und ebenso den Nachweis einer Wärmebrückenfreiheit durch typische Angabe von Konstruktionsdetails im Bereich von Niedrig-, Niedrigstenergie oder anderen Hauskonzepten für kleinvolumige aber auch großvolumige Wohn-, Gewerbe-, Industrie- oder sonstige Gebäude ermöglichen.

Dieser umfangreiche Wärmebrückenkatalog beinhaltet sowohl Details für monolithische Ziegelwandsysteme als auch für Ziegelwandsysteme mit Zusatz-dämmung (mit Wärmedämmsystem). Auch zweischalige Ziegelwandsysteme mit oder ohne Kerndämmung sind praktisch ableitbar. Für alle Interessenten aus dem privaten und öffentlichen Bereich steht der Wärmebrückendetailkatalog unter www.ziegel-technik.at zum Download als PDF-Version bereit. Eine Besonderheit der Umsetzung sind auch die interaktiven Diagramme für alle berechneten Details mit ihrer Darstellung des U-Wertes auf der x-Achse und des Wärmebrückenzuschlagskoeffizienten auf der y-Achse. Mit einer „Mouseover-Darstellung“ erfolgt eine leichte Ablesbarkeit an eng abgestuften Stützstellen ohne Interpolationsaufwand.

Wärmebrückenkatalog - Sockeldetail unterkellert, Ziegelwand einschalig, Ziegeldecke, WD an Untersicht
Beispiel 4-01: Wärmebrückenkatalog - Sockeldetail unterkellert, Ziegelwand einschalig, Ziegeldecke, WD an Untersicht

 

Beispiel 4-02: Wärmebrückenkatalog - Attikadetail, Ziegelwand einschalig, Ziegeldecke
Beispiel 4-02: Wärmebrückenkatalog - Attikadetail, Ziegelwand einschalig, Ziegeldecke

 

Thermografie – Fenstersturz und Rollladenzug (Außentemperatur +5 °C)
Beispiel 4-08: Thermografie – Fenstersturz und Rollladenzug (Außentemperatur +5 °C)

 

Luftundichtigkeit im Bereich der Durchführung des Rollladenzuges unterhalb des Fenstersturzes

 

Beispiel 4-05: Thermografie – Türleibung und Steckdose (Außentemperatur +5 °C)
Beispiel 4-09: Thermografie – Türleibung und Steckdose (Außentemperatur +5 °C)

 

typische leichte Wärmebrücke im Dichtungsbereich der Terrassentüre und Luftundichtigkeit bei der Steckdose

 

Thermografie – Fenster, Fenstersturz, Raumaußenecke (Außentemperatur +5 °C)
Beispiel 4-10: Thermografie – Fenster, Fenstersturz, Raumaußenecke (Außentemperatur +5 °C)

 

dreifache geometrisch-materialbedingte Wärmebrücke im Bereich des Glasverbundes des Fensters, des Fenstersturzes und der Raumaußenecke

 

Beispiel 4-07: Thermografie – Stulpprofil, Fensterflügel (Außentemperatur +5 °C)
Beispiel 4-11: Thermografie – Stulpprofil, Fensterflügel (Außentemperatur +5 °C)

 

Luftundichtigkeiten durch schlechte Dichtungsausbildung zwischen dem Stulpprofil (Standflügel) und dem Fensterflügel (Gangflügel)

Buchcover