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2.2.1 Kriterien
Die primären Anforderungen sind die Gewährleistung der Behaglichkeit und der Bauschadenfreiheit, welche gestützt auf Norm SIA 180:2014 «Wärmeschutz, Feuchteschutz und Raumklima in Gebäuden» mit folgenden Massnahmen zu erfüllen sind:
- Alle beheizten Räume müssen innerhalb der thermischen Gebäudehülle liegen.
- Die Wärmedämmung muss im Bereich der thermischen Gebäudehülle durchgehend ausreichend sein, Wärmebrücken sind bestmöglich zu vermeiden, sie dürfen keine Schäden zur Folge haben.
Ausgehend vom Mindestwärmeschutz gemäss Norm SIA 180, der aus energetischer Sicht noch ungenügend ist, gilt es, die Energiegesetze der Kantone bzw. die Anforderungen gemäss MuKEn (Musterverordnung der Kantone im Energiebereich) zu berücksichtigen. Abhängig vom Einsatz erneuerbarer Energie führen diese Anforderungen zu einem differenten Wärmeschutz, nachgewiesen an Einzelbauteilen oder mittels Systemnachweis gemäss Norm SIA 380/1 «Thermische Energie im Hochbau». Ohne den Nachweis des genügenden Wärmeschutzes wird die Bauausführung nicht freigegeben; teilweise sind die Nachweise sogar im Rahmen der Baubewilligung zu erbringen.
Höhere Standards wie MINERGIE (-A, -P) werden teilweise auf freiwilliger Basis angestrebt oder sie werden gefordert, z.B. um eine höhere Ausnutzung zu erhalten oder übergeordnete Ziele wie die 2000-Watt-Gesellschaft anzustreben.
2.2.2 Entwicklung der Anforderungen
Kapitel 1.3 gibt einen Überblick über die Entwicklung der Gebäudehülle seit 1900.
Vor der Erdölkrise anno 1973 wurden, wenn überhaupt, nur dünne Wärmedämmungen eingesetzt und bei opaken Bauteilen U-Werte um 0,6 W/m2·K und schlechter erreicht.
In der Ausgabe 1993 dieses Buches wurde der Ideenwettbewerb «hochwärmedämmende Wand- und Dachkonstruktionen» des BEW (heutiges BFE) porträtiert. Es mussten U-Werte von höchstens 0,2 W/m2·K erreicht werden, was für damalige Verhältnisse sehr gut war und bereits viele über die «U-Wert-Feteschisten» schimpfen liess.
2015 sind bei opaken Bauteilen gegen Aussenklima U-Werte von < 0,20 W/m2·K gefordert, was dank guter Wärmedämmstoffe und mehrschichtiger Konstruktionsaufbauten auch problemlos erreicht werden kann. Ohne erneuerbare Energie (z.B. bei Gas- oder Ölheizung) sind Einzelbauteil-U-Werte von bis zu < 0,12 W/m2·K gefordert, was einem Wärmeschutz im Bereich von MINERGIE-P entspricht.
Wo geht die Entwicklung hin? Mit einem Wärmeschutz um 0,10 W/m2·K bei opaken Bauteilen sind die Grenzen sicher erreicht und eine weitere Reduktion der Transmissionswärmeverluste ist kaum sinnvoll (vgl. auch Kapitel 2.9.3 «Wärmeschutz aus ökologischer Sicht»). Bei den Fenstern gilt es, über die Heizperiode betrachtet, einen bilanzierten Energiegewinn zu erzielen. Dank lichtoptimierten Fenstern (kleine Rahmen- und grosse Glasflächen) und guten Gläsern (3-fach-Isolierglas) kann das bei besonnten und nur wenig verschatteten Fassaden gewährleistet werden.
2.2.3 Beurteilung und Nachweise
Die Baukonstruktion muss so gewählt und dimensioniert werden, dass die Behaglichkeit und die Bauschadenfreiheit garantiert werden können. Ein weitergehender Wärmeschutz richtet sich einerseits nach den geltenden Mindestanforderungen aus den Energiegesetzen bzw. der MuKEn und andererseits nach den Labels, die es meist auf «freiwilliger Basis» zu erreichen gilt.
Behaglichkeit und Bauschadenfreiheit
Am Mindestwärmeschutz für die Behaglichkeit und die Bauschadenfreiheit wird sich kaum viel ändern, weil dies nach bauphysikalischen Kriterien festgelegte Kennwerte sind.
Wenn die in Bild 2.2.1 gelisteten Werte aus Norm SIA 180:2014 eingehalten werden, gelten unter normalen Nutzungsbedingungen die Anforderungen an die Behaglichkeit (vgl. Kapitel 2.1) und Bauschadenfeiheit (Oberflächenkondensat bzw. Schimmelpilzbildung) als erfüllt.
Weil das Feuchteschadenrisiko bei Bauteilübergängen wesentlich höher ist als innerhalb der Bauteilflächen, gilt es, durch Vermeidung bzw. Reduktion von Wärmebrücken Feuchteschäden zu vermeiden (vgl. Kapitel 2.4 «Feuchteschutz»).
Einzelbauteilanforderungen
Wenn die Einzelbauteilanforderungen gemäss kantonalen Energiegesetzen bzw. MuKEn bei allen Bauteilen vorbehaltlos eingehalten werden können, ist es möglich, den Nachweis des genügenden Wärmeschutzes mit einem Einzelbauteilnachweis zu führen. Es sind dann U-Werte bei opaken Bauteilen gegen Aussenklima von U ≤ 0,20 W/m2·K (beim Einsatz von erneuerbarer Energie) bis zu U ≤ 0,12 W/m2·K (ohne erneuerbare Energie) gefordert.
Damit der Planer bei einzelnen Bauteilen von den Einzelbauteilanforderungen abweichen kann wie auch für Nachweise im Kontext von MINERGIE, ist ein Systemnachweis nach Norm SIA 380/1 erforderlich.
Heizwärmebedarf gemäss Norm SIA 380/1
Das Berechnungsverfahren nach Norm SIA 380/1 basiert auf Monatsbilanzen nach der europäischen Norm EN13790 «Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Berechnung des Heizenergiebedarfs». Mit diesem Verfahren kann nur ein ganzes Gebäude oder ein Gebäudeteil energetisch beurteilt werden, nicht aber ein einzelnes Bauteil (vgl. Bild 2.2.2). Die Energiebilanzierung berücksichtigt die Energieverluste durch Transmission und Lüftung sowie die Energiegewinne durch Sonneneinstrahlung, Personen und Elektrizität (Licht, Geräte).
Basierend auf diesem Modell der Energiebilanzierung kann auch sehr gut der Handlungsspielraum aufgezeigt werden, den die Planer auf dem Weg zu einer energieeffizienten Gebäudehülle haben.
Transmissionswärmeverluste QT
Die Wärmeverluste werden über die thermisch relevante Gebäudehülle berechnet. Neben einer optimalen Wahl der thermischen Gebäudehülle (z.B. Abgrenzung beheizt/unbeheizt bzw. innerhalb oder ausserhalb der thermischen Gebäudehülle) beeinflusst der Planer den Transmissionswärmeverlust durch die Wärmedämmqualität der opaken und transparenten Bauteile (U-Werte) sowie eine möglichst wärmebrückenfreie Ausbildung der Bauteilübergänge.
Lüftungswärmeverluste QV
Der Lüftungswärmeverlust beschreibt den Verlust aufgrund des thermisch wirksamen Aussenluftvolumenstroms. Der Aussenluftvolumenstrom ist für den Wärmeschutznachweis nach Norm SIA 380/1 für jede Gebäudekategorie fix. Bei der Berechnung des Heizwärmebedarfs Qh für die gewichtete Energiekennzahl (MINERGIE) entspricht der Aussenluftvolumenstrom dem Objektwert. Der Planer kann somit durch die Wahl der Lüftung (z.B. Wärmetauscher, Grad der Wärmerückgewinnung) auf den Objektwert Einfluss nehmen.
Interne Wärmegewinne QI
Die internen Gewinne von Personen und elektrischen Geräten sind Standardnutzungswerte aus SIA 380/1.
Solare Wärmegewinne QS
Die solaren Wärmegewinne sind von grosser Bedeutung und sie können vom Planer wesentlich beeinflusst werden. Für möglichst hohe solare Wärmegewinne sind folgende Faktoren zu beachten:
- Orientierung der Gebäude mit möglichst grossen Fenstern gegen Süden und eher kleinen Fenstern gegen Norden.
- Eher wenige grosse als viele kleine Fenster wählen, weil dadurch der Glasanteil zunimmt.
- Eine Eigenverschattung durch Überhänge und Seitenblenden ist möglichst zu vermeiden.
- Optimierung der Wärmespeicherfähigkeit der Bauteile bzw. der Räume zur Erhöhung des Ausnutzungsgrades der Wärmegewinne.
Heizwärmebedarf Qh
Der Heizwärmebedarf Qh ist das bilanzierte Ergebnis aus möglichst kleinen Transmissionwärmeverlusten QT, dem standardmässigen Lüftungswärmeverlust QV und maximierten Energiegewinnen QI und QS (Handlungsspielraum nur bei den solaren Gewinnen). Der Heizwärmebedarf Qh ist das Kriterium für die Primäranforderung von Standards wie MINERGIE.
Der Grenzwert Qh,li ist abhängig von der Gebäudehüllzahl Ath/AE, von der Gebäudekategorie und vom Standort des Gebäudes bzw. der zu wählenden Klimastation (vgl. Bild 2.2.3).
2.2.4 Übereinstimmung der Rechenmodelle mit der «Realität»
Einzelbauteilanforderungen
Kennwert für die Wärmeverluste bei einzelnen Bauteilen ist der U-Wert, der als «statischer Wert» in der Regel rechnerisch ermittelt wird. Obwohl immer wieder bemängelt wird, dass der U-Rechenwert den dynamisch verlaufenden Wärmeflüssen nicht gerecht wird und insbesondere schwere Wände nicht korrekt beurteilt würden, zeigen Untersuchungen der EMPA (vgl. Bild 2.2.4), dass der U-Rechenwert den Wärmeverlust vernünftig kennzeichnet:
- Der U-Rechenwert definiert einen höheren Wärmeverlust, als dass er in der Praxis zu erwarten ist, und ist somit auf der «sicheren Seite».
- Bei schweren «ungedämmten» Wänden ist die Differenz zwischen dem U-Rechenwert und den «realen Wärmeverlusten» nur unwesentlich grösser als bei leichteren, wärmegedämmten Wänden.
- Auch bei sehr leichten, hochwärmegedämmten Wänden in Holzrahmenbauweise bildet der U-Rechenwert den Wärmeverlust vernünftig ab, dies belegen viele Erfahrungen mit Holzbauten im MINERGIE-P-Standard.
Heizwärmebedarf gemäss Norm SIA 380/1 bzw. mit dynamischer Gebäudesimulation
Üblich ist die rechnerische Ermittlung des Heizwärmebedarfs nach Norm SIA 380/1. Dieses stationäre Bilanzmodell wird betreffend die realistische Abbildung der naturgemäss zeitabhängigen, das heisst instationären thermischen Prozesse am Gebäude immer wieder infrage gestellt, so zum Beispiel hinsichtlich die Wirkung des Wärmespeicherverhaltens zur Nutzung der solaren Energiegewinne.
Differenzen bei Rechenmodellen
Es liegt auf der Hand, dass mit den aufwendigen dynamischen Simulationen, welche die effektiven Konstruktionen mit deren Wärmespeicherverhalten modellieren und die klimatischen Randbedingungen über Stundenmittelwerte berücksichtigen, die «Wirklichkeit» realitätsnaher abgebildet werden kann als mit dem Verfahren nach Norm SIA 380/1. Die Differenz bezüglich des ermittelten Heizwärmebedarfs liegt unter anderem in folgenden unterschiedlichen Annahmen begründet:
- Die Wärmespeicherfähigkeit und damit die Ausnutzung von freier Wärme (z.B. passivsolare Gewinne) wird in SIA 380/1 nur durch die grobe Zuordnung der Bauweise («sehr leicht» bis «schwer») berücksichtigt. Bei der dynamischen Gebäudesimulation hingegen werden die effektiv vorhandenen Bauteilschichten, mit ihren Massen und Wärmespeicherfähigkeiten, berücksichtigt.
- Beim Modell SIA 380/1 werden über die 12 Monate die Verluste und Gewinne bilanziert. Dabei werden für die Aussentemperaturen Monatsmittelwerte und für die Raumtemperaturen Standardwerte, von z.B. konstant 20 °C für Wohnbauten berücksichtigt. Bei der dynamischen Gebäudesimulation werden die Energieflüsse im Stundentakt bilanziert.
- Bei der Beurteilung nach SIA 380/1 wird nur die fixe Beschattung durch den Horizont, die Vordächer und die Seitenblenden berücksichtigt und somit davon ausgegangen, dass der Nutzer in der kalten Jahreszeit die Energiegewinne durch solare Einstrahlung zulässt und nicht durch den Einsatz des variablen Sonnenschutzes reduziert. Bei der dynamischen Gebäudesimulation wird der Sonnenschutz abhängig von der Globalstrahlung betrieben. Es kann somit vorkommen, dass an einem schönen Wintertag mit hoher Globalstrahlung, zur Vermeidung von Überhitzung, der Sonnenschutz zum Einsatz kommt.
Modell 380/1 rechnet auf «sicherer Seite»
So wie es sein muss, so ist es auch: Das einfache stationäre Bilanzmodell SIA 380/1 weist einen Heizwärmebedarf aus, der leicht höher ist als der über die dynamische Simulation ermittelte und liegt damit auf der «sicheren Seite» (vgl. Bild 2.2.5). Der Heizwärmebedarf wird mit SIA 380/1 um etwa 5 % höher veranschlagt. Wenn man bei der dynamischen Simulation die Raumtemperatur von 20 °C nicht als unteren Schwellenwert, sondern als Durchschnittswert definiert, kann die Abweichung zwischen 380/1 und Simulation auch gegen 10 % gehen.
Vorteilhafte Bauweisen
Die mit «leicht» in SIA 380/1 diskriminierte Holzbauweise zeigt in energetischer Hinsicht ihre wahre Qualität dann, wenn sie mittels dynamischer Gebäudesimulation beurteilt wird: Die effektiv vorhandene Speicherfähigkeit führt, im Vergleich zur Berechnung SIA 380/1, zu einem um 11 % kleineren Heizwärmebedarf. Die Gegenüberstellung der Bauweisen «leicht» bis «schwer», in den Standards MuKEn und MINERGIE-P, mit SIA 380/1 und dynamischer Gebäudesimulation berechnet, führt zu folgender Erkenntnis (vgl. Bild 2.2.6):
- Bei korrekter Zuordnung der Bauweise «leicht» bis «schwer», in SIA 380/1, sind die rechnerisch ausgewiesenen Differenzen beim Heizwärmebedarf, unabhängig von der Bauweise, mit etwa 5 % beim Standard MuKEn und etwa 3 % beim Standard MINERGIE-P identisch.
- Der «schwere Massivbau», mit hohem Wärmespeichervermögen, wird in SIA 380/1 gegenüber leichteren Bauweisen nicht diskriminiert, sondern gleich realistisch beurteilt wie die Holzbaukonstruktion.
2.2.5 Bauteiloptimierung über Einzelbauteilbetrachtung
Sowohl bei Neubauten wie auch bei Sanierungen gilt es, Aussagen über die Energieeffizienz eines einzelnen Bauteils zu machen. Bei opaken Bauteilen sollen die Verluste minimiert werden und die transparenten Bauteile sind hinsichtlich des bilanzierten Verlusts oder Gewinns zu optimieren.
Transmissionswärmeverlust
Der Transmissionswärmeverlust wird im Wesentlichen durch den U-Wert des Bauteils, die Bauteilfläche und die klimatischen Randbedingungen (Temperaturdifferenz, Heiztage bzw. Heizgradtage (vgl. Bild 2.2.7)) bestimmt.
Energiegewinn durch Sonneneinstrahlung
Der durch Sonneneinstrahlung erzielbare Gewinn hängt einerseits von der orientierungsabhängigen Globalstrahlung und vom Ausnutzungsgrad für die Wärmegewinne ab (abhängig vom Heiz- bzw. Regelsystem und vom Verhältnis zwischen Energieverlusten und Energiegewinnen; kann nicht bauteilspezifisch, sondern nur über eine 380/1-Berechnung für das Gebäude ermittelt werden; bei schlecht gedämmten Gebäuden beträgt hg erfahrungsgemäss etwa 0,7 und bei gut gedämmten Gebäuden beträgt hg etwa 0,6). Reduziert wird der Energiegewinn zudem durch den Gesamtenergiedurchlassgrad des Glases, nicht senkrechte Sonneneinstrahlung und fixe Verschattung (vgl. Bild 2.2.8).
Vom Energiebedarf zum Energieverbrauch
Basierend auf dem Heizwärmebedarf aus der Berechnung SIA 380/1 oder dem Transmissionswärmeverlust eines opaken Bauteils oder dem bilanzierten Verlust oder Gewinn bei einem Fenster, lassen sich der zu erwartende Heizwärmeverbrauch und die Quantität des Energieträgers zur Abdeckung des Verbrauchs abschätzen, wenn folgende Kennwerte bekannt sind:
- Wirkungsgrad (hH bzw. JAZ) der Heizung, mit folgenden Standard-Nutzungsgraden und -Arbeitszahlen aus SIA Merkblatt 2040:2011:
- Öl- und Gasfeuerung kondensierend 0,90
- Holzschnitzel, Pellets 0,75
- Stückholz 0,70
- Fernwärme 0,95
- Wärmepumpe (Luft/Wasser) 3,30
- Wärmepumpe (Sole/Wasser) 3,90
- Wärmepumpe (Wasser/Wasser) 4,10
- Heizwert der Energieträger (vgl. Bild 2.2.10).
Einsparungspotenzial bei einer Aussenwand-sanierung mit Aussenwärmedämmung
Die bestehende Aussenwand erreicht mit einem beidseitig verputzten Verbandmauerwerk einen U-Wert von 1,1 W/m2·K. Mit einer 20 cm dicken Aussenwärmedämmung wird ein U-Wert von 0,15 W/m2·K erreicht. Bei einem Gebäude mit Ölheizung kann durch diese wärmetechnische Sanierung pro m2 Aussenwand und Jahr von einer Einsparung von etwa 8,8 Liter Heizöl ausgegangen werden (vgl. Bild 2.10.11). Diese Beurteilung ist aber mit Unsicherheiten verbunden:
- Die Heizgradtage werden vor und nach der wärmetechnischen Ertüchtigung des Gebäudes different sein. Durch einen besseren Wärmeschutz reduzieren sich auch die Heiztage und die Heizgradtage.
- Wenn die Wärmeabgabe nicht an die neuen Verhältnisse angepasst wird, kann es zur Überhitzung kommen und der Nutzen der Sanierung ist dann geringer.
Fensterbeurteilung über energieäquivalenten
U-Wert Uw,eq
Bei Einzelbauteilbetrachtungen wird das Fenster meist nur verlustorientiert über den U-Wert Uw beurteilt. Diese Betrachtung wird dem Nutzen der Fenster hinsichtlich die passivsolaren Gewinne nicht gerecht. Mit dem energieäquivalenten U-Wert Uw,eq wird, unter Berücksichtigung der Energieverluste und der nutzbaren Energiegewinne, die tatsächliche Energieeffizienz des Fensters abgebildet (vgl. Bild 2.2.12). Mit vertretbarem Aufwand und unter Berücksichtigung von bereits bekannten Kennwerten für die Fensterkonstruktion ist es möglich, den energieäquivalenten U-Wert Uw,eq des Fensters einfach zu ermitteln. Unter Berücksichtigung von folgenden Parametern bildet der energieäquivalente U-Wert Uw,eq des Fensters den bilanzierten Energiegewinn oder Energieverlust korrekt ab (Beurteilungsverfahren «Energieetikette für Fenster Schweiz»):
- Referenzfenster zweiflüglig, 1,55 m x 1,15 m
- Klimastandort «Mittelland» (Zürich SMA)
- Flächenanteile der Orientierung: 50 % Süd, 20 % West, 20 % Ost, 10 % Nord
- Verschattungsfaktor FS = 0,9 (nur geringe Verschattung)
- Verminderung des g-Wertes um Faktor 0,9 (nicht senkrechte Sonneneinstrahlung)
- Ausnutzungsgrad der freien Wärme ηg = 0,6 (trifft bei gut gedämmten Massivbauten zu)
In von diesem Mittellandstandort abweichenden Klimaregionen (z.B. Tessin und Bergregionen) wird jeweils ein noch besserer energieäquivalenter U-Wert Uw,eq erreicht.
Die 2015 vom Schweizerischen Fachverband Fenster und Fassadenbranche (FFF) und von der Schweizerischen Zentrale Fenster und Fassaden (SZFF) lancierte Energieetikette beurteilt die Energieeffizienz der Fenster basierend auf dem energieäquivalenten U-Wert Uw,eq. Fenster, die über die Heizperiode bilanziert einen Energiegewinn aufweisen, erreichen die Klasse A; Fenster, welche zu Energieverlust führen, werden, je nach Höhe des Verlusts Uw,eq den Klassen B bis G zugewiesen. Nicht für alle Anwendungen/Gebäude ist ein mit A als energetisch optimal beurteiltes Fenster auch tatsächlich die bestmögliche Lösung. Was bei Wohnbauten mit «Lochfenstern» unbestritten sinnvoll ist und zu einer korrekten Fensterwahl führt, macht z.B. bei Bauten, die im Sommer gekühlt werden müssen, oder bei Bauten mit grossem Glasanteil weniger Sinn. Ein mit A gekennzeichnetes Fenster kann bei solchen Bauten sogar zu einem höheren Energieaufwand für Heizung und Kühlung führen, als wenn ein Fenster eingebaut wird, das «nur» der Klasse B, C oder D entspricht.
Bild 2.2.12 zeigt, dass die Unterschiede betreffend den energieäquivalenten U-Wert Uw,eq und den daraus resultierenden Aufwand für die Abdeckung des Energieverlusts (oder des Energiegwinns) sehr gross sein können, dies insbesondere abhängig von:
- Rahmenkonstruktion (Flächenanteil, Uf) und
- Isolierglas (Glasanteil, Ug, Ψg, g-Wert).
Während bei dem einen Fenster jährlich 16,5 kWh Strom aufgewendet werden müssen, um den resultierenden Energieverlust abzudecken, verringert sich der Energieaufwand beim anderen Fenster infolge Energiegewinn um 2,2 kWh. Die Differenz beträgt somit 18,7 kWh Strom pro Fenster und Jahr.