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4.2.1 Die Bedeutung von Wärmebrücken
Wärmebrücken sind Stellen der Gebäudehülle, an denen lokale Veränderungen des Wärmeflusses und der Temperaturen gegenüber dem ebenen, eindimensionalen Fall auftreten. Es können folgende Situationen unterschieden werden:
- Materialbedingte Wärmebrücken bei Bauteilen, durch Inhomogenitäten (z. B. Wärmedämmschicht zwischen Holztragstruktur, vgl. Bild 4.2.1) oder infolge Durchdringung der Wärmedämmschicht mit Befestigungselementen (vgl. Bild 4.2.2). Diese Wärmebrücken werden in der Regel bei der Berechnung der Bauteil-U-Werte berücksichtigt. Es könnten theoretisch aber auch die Bauteil-U-Werte im «ungestörten Bereich» ermittelt und die punkt- und linienförmigen Wärmebrücken separat erfasst und als Transmissionswärmeverluste berücksichtigt werden.
- Material- und geometriebedingte Wärmebrücken bei Bauteilübergängen. Der Architekt «verursacht» mit seinem Entwurf auch die Problemstellen der Gebäudehülle: Vor- und Rücksprünge, Balkone, Loggien; je komplexer die Gebäudestruktur, desto grösser und desto zahlreicher werden in der Regel die «Konfliktstellen». Eine durchgehende Balkonschicht, die thermisch optimal entkoppelt werden kann, verursacht z. B. erheblich geringere Energieverluste als einzelne Loggien, die hier und dort in das Gebäude «hineingeschnitten» werden. Es entstehen dabei nicht nur Wärmebrückenverluste bei Bauteilübergängen; jeder Gebäudeeinschnitt führt auch zu einem Flachdach und einem Boden über Aussenluft.
Bei Holzunterkonstruktion mit 6 % Holzanteil resultieren, unabhängig vom Verankerungsgrund, Wärmebrückenverluste zwischen 0,09 und 0,22 W/m2·K. Bei der wärmebrückenfreien Unterkonstruktion sind die Wärmebrückenverluste vernachlässigbar klein, selbst bei Stahlbeton als Verankerungsgrund. Mit Distanzschrauben sind die Wärmebrückenverluste insbesondere bei geringer Wärmedämmschichtdicke kleiner als bei Holzunterkonstruktionen; bei dicken Wärmedämmschichten sind die Wärmebrückenverluste in etwa vergleichbar mit denjenigen von Holzunterkonstruktionen.
Die Wärmebrückenverluste sind bei «normalen» Alu-Unterkonstruktionen um mindestens einen Faktor 10 höher als bei allen anderen Unterkonstruktionen, dies auch bei thermischer Trennung vom Verankerungsgrund (Thermostop). Mit stockwerkübergreifenden Alu-Unterkonstruktionen können jedoch erheblich kleinere Wärmebrückenverluste erreicht werden, als bei «normalen» Alu-Unterkonstruktionen.
- Lokal unterschiedliche Randbedingungen, z. B. Wärmequellen bei Fussbodenheizungen.
Unterschätzung des Heizwärmebedarfes
Die Unkenntnis von Wärmebrücken kann zur Unterschätzung des Heizwärmebedarfs führen. Bei gut wärmegedämmten Gebäudehüllen kann der Anteil der Wärmebrücke am gesamten Transmissionsverlust bis zu 30 % betragen. Für die energetische Optimierung sind deshalb alle Transmissionswärmeverluste zu berücksichtigen:
- Bauteile der thermischen Gebäudehülle.
- Lineare Wärmebrückenverluste bei Ecken, Kanten, Auflagern, Auskragungen, Öffnungen u.Ä.
- Punktförmige Wärmebrückenverluste, z.B. bei lokalen Durchdringungen von Befestigungselementen.
Hygienische und bautechnische Auswirkungen
Aus der Sicht der thermischen Behaglichkeit gilt es, möglichst gleichmässige innere Oberflächentemperaturen zu erhalten (vgl. Kapitel 2.1.1 «Thermische Behaglichkeit»).
Bei Wärmebrücken bildet sich beim Unterschreiten der Taupunkttemperatur der Raumluft ein Oberflächenkondensat. Kondensatausscheidungen können auch zu Oberflächenschäden an Verputzen und Tapeten führen. Dies geschieht allerdings erst dann, wenn die Dauer der Flüssigkeitsablagerung und die Menge des eingelagerten Wassers das Speichervermögen der oft stark wasserdampfabsorbierenden, obersten Schichten (Gipsputz o.Ä.) übersteigt und im Tagesrhythmus nicht mehr ausgetrocknet werden kann.
Bereits bei 75 bis 80 % relativer Feuchtigkeit im Bereich der zu besiedelnden Oberfläche kann Schimmelpilzwachstum auftreten. Schimmelpilze bilden Stoffe, die bei empfindlichen, allergischen Personen zu Infektionen der Schleimhäute im Nasen-Halstrakt führen können. Die Entstehung von Schimmelpilzen ist aus hygienischen Gründen zu vermeiden.
4.2.2 Wärmebrücken bei Bauteilübergängen
Beim Bauteilübergang treffen zwei bis drei Bauteile mit unterschiedlichen Schichten und Funktionen aufeinander. Insbesondere die tragenden Schichten können dann, wenn sie die Wärmedämmschicht durchdringen, zu erheblichen Wärmebrücken führen, wie das z. B. beim Sockel der Fall ist (vgl. Bild 4.2.3). Die relevanten Bauteilübergänge sind objektspezifisch mittels Wärmebrückenberechnung zu analysieren (und zu optimieren), damit bei der Berechnung des Heizwärmebedarfs der korrekte Wärmebrückenverlust berücksichtigt werden kann. Alternativ zu Wärmebrückenberechnungen kann der Einfluss der Wärmebrücke auch basierend auf Wärmebrückenkatalogen (Herausgeber: Bundesamt für Energie, Bern) berücksichtigt werden. Das Katalogdetail stimmt jedoch nie präzise mit dem objektspezifisch entwickelten Detail überein. Zudem sind die Katalog-Kennwerte sinnvollerweise auf der eher sicheren Seite (höhere Wärmebrückenverluste), womit sicherlich ein Anreiz besteht, objektspezifisch korrekte, optimierte Werte zu berücksichtigen.
Wärmebrücken bei Holzbauten
Bezogen auf die äussere Abmessung wird der Wärmebrückenverlust bei Holzbauten in der Regel negativ. Das heisst, dass bei Gebäudekanten (Ecken, Sockel, Dachrand etc.) kein Wärmebrückenverlust zu berücksichtigen ist. Der Einbau von Fenstern und Türen führt bei Holzbauten aber zu zusätzlichen Wärmebrückenverlusten (vgl. Bild 4.2.4), die nachzuweisen und zu berücksichtigen sind.
Wärmebrücken bei Mischbauweise
Der Übergang von Holzbauteil zu Holzbauteil lässt sich wohl wärmebrückenfrei konstruieren; im Übergangsbereich zum Massivbau (z. B. Deckenauflager bei Stahlbeton-Geschossdecken) sind jedoch Wärmebrücken unvermeidbar (vgl. Bild 4.2.5). Der Einbau von Fenstern und Türen führt ebenfalls zu Wärmebrücken.
Wärmebrücken bei Massivbauten
Je grösser die Wärmeleitfähigkeit von Baustoffen ist, desto eher ist bei Bauteilübergängen mit Wärmebrückenverlusten zu rechnen (vgl. Bilder 4.2.6 bis 4.2.11). Gegenüber Holzwerkstoffen mit um 0,13 W/m·K führen Backsteine (um 0,44 W/m·K), Kalksandsteine (um 1,0 W/m·K), Stahlbeton (um 2,3 W/m·K), Baustahl (um 50 W/m·K) und Aluminium (um 160 W/m·K) zu einem lokal viel höheren Energiefluss, wenn sie die Wärmedämmschicht durchdringen. Neben dem Fenstereinbau sind beim Massivbau zahlreiche Konstruktionsdetails hinsichtlich Wärmebrückenverlust relevant:
- Tragende Wandscheiben, welche die Wärmedämmschicht durchdringen, z. B. beim Sockel (vgl. Bild 4.2.3), bei Innenwänden (vgl. Bilder 4.2.6 und 4.2.7), beim Dachrand (vgl. Bild 4.2.8) und dem Attikaanschluss (vgl. Bild 4.2.9).
- Über Kragplattenanschlüsse mit der Betondecke verbundene Auskragungen wie Balkone, Vordächer usw. Gegenüber herkömmlichen Kragplattenelementen kann mit solchen aus faserverstärktem Kunststoff der Wärmebrückenverlust um einen Faktor 3 reduziert werden.
- Bleche und Metallprofile, welche die Wärmedämmschicht durchdringen, z. B. beim Dachrand (vgl. Bild 4.2.8) und bei Attikaanschlüssen.
Je besser der Wärmeschutz bei den Bauteilen ist, desto gravierender wirken sich lokale Schwachstellen bei Bauteilübergängen auf den gesamten Transmissionswärmeverlust aus.
4.2.3 Beispiele für Wärmebrücken bei Bauteilübergängen
Wärmebrücken beim Sockel
Relevant ist der Sockel hinsichtlich Wärmebrückenverlust insbesondere dann, wenn das Untergeschoss unbeheizt ist. Im Sockel trifft dann das beheizte Erdgeschoss auf das unbeheizte Untergeschoss und dieser Bauteilübergang grenzt je nach Terrainverlauf gegen Aussenklima und gegen das Erdreich. Der Sockel ist oft das am schwierigsten zu optimierende Detail. Die berechneten vier Varianten (vgl. Bild 4.2.3) geben einen Hinweis über Konstruktionsmöglichkeiten, wenn als tragende Aussenwand über Terrain (im EG) ein Kalksandsteinmauerwerk (stellvertretend auch für ein Backsteinmauerwerk) vorhanden ist. Bei tragenden und aussteifenden Wandscheiben aus Stahlbeton (Erdbebensicherheit) ist die Suche nach energetisch optimierten Lösungen noch schwieriger.
- Bei der Variante 1 liegt die gesamte Wärmedämmschicht über der Betondecke. Hier durchdringt die tragende Mauerwerksscheibe (im Beispiel aus Kalksandstein) die Wärmedämmschicht und bildet eine Wärmebrücke. Sie verursacht einen hohen Wärmebrückenverlust von ψ = 0,066 W/m·K.
- Variante 2 verfügt über eine Perimeterdämmung bei der UG-Wand. Dadurch reduziert sich der Wärmeabfluss aus dem EG. Der ψ-Wert beträgt in diesem Fall noch 0,03 W/m·K.
- Bei Variante 3 ist die Mauerwerksscheibe von der Stahlbetondecke entkoppelt. Diese Lösung hat sich als wirksamste erwiesen. Sie reduziert den ψ-Wert auf nur noch 0,01 W/m·K. Wegen der Gebäudehöhe (Statik, Lastabtragung) wurde dabei ein Thermur-Element berücksichtigt. Je nach statischen Randbedingungen können allenfalls auch weniger tragfähige, dafür wärmetechnisch/energetisch bessere Elemente eingesetzt werden. Denkbar wäre etwa ein Perinsul-Element (Schaumglasstein mit λ = 0,058 W/m·K). Beim Einsatz eines solchen Elements würde der Wärmebrückenverlust – 0,01 W/m·K betragen; bezogen auf die Aussenabmessung resultierte somit kein zusätzlicher Verlust.
- Bei der Variante 4 liegt nur ein Teil der Wärmedämmschicht über der Stahlbetondecke; der Grossteil der Dämmung befindet sich im UG an der Deckenuntersicht. Die Stahlbetonwand im UG durchdringt aber die Wärmedämmschicht und verursacht einen Wärmebrückenverlust. Mit normalem Stahlbeton würde ψ etwa 0,166 W/m·K betragen. Durch den Einsatz von Misapor-Beton (Zuschlagstoffe aus Schaumglasschotter) erreicht diese Lösung, je nach Wärmeleitfähigkeit des Betons, ψ-Werte von 0,053 W/m K (bei λ = 0,3 W/m·K) oder 0,023 W/m K (bei λ = 0,15 W/m·K).
Wärmebrücken bei Innenwänden
Die Bilder 4.2.6 und 4.2.7 geben Aufschluss über den Wärmebrückenverlust bei Innenwänden, welche die Wärmedämmschicht bei Böden über unbeheizten Räumen (Wärmeverlust vermindert um den b-Faktor) oder bei solchen über Aussenluft durchdringen.
- Bei durchdringenden Wänden aus Stahlbeton (Bild 4.2.6) werden die Wärmebrückenverluste mit ψ-Werten von 0,519 bis 0,694 W/m·K, unabhängig von der Anordnung der Wärmedämmschichten (unten und oben, nur oben), gross. Energetisch bessere Lösungen sind schwierig zu finden. Das «Auflösen» der Wandscheiben in einzelne «Stützenköpfe» (evtl. mit speziellen Anschlusselementen) oder der Einsatz von Spezialbeton mit Zuschlagstoffen aus Schaumglas (z. B. Misapor-Beton) könnten allenfalls diskutiert werden.
- Bei durchdringenden Wänden aus Backstein oder Kalksandstein (vgl. Bild 4.2.7) werden die Wärmebrückenverluste erheblich kleiner als bei Stahlbetonwänden und es stehen auch zahlreiche Optimierungsmöglichkeiten zur Diskussion. Am kleinsten werden die Verluste mit ψ-Werten von 0,023 bis 0,038 W/m·K dann, wenn im unteren, unbeheizten Raum keine Wandscheibe vorhanden ist (z. B. bei Autoeinstellhallen) und dadurch mit einem Teil der Wärmedämmschicht lückenlos verlegt werden kann. Wenn oben und unten eine Wandscheibe vorhanden ist, wird der Wärmebrückenverlust mit ψ-Werten von 0,158 bis 0,315 W/m·K bedeutend grösser als im zuvor skizzierten Fall, und für hochgedämmte Bauten wird dann eine Lösung mit thermisch von der Stahlbetondecke entkoppelter Wandscheibe unumgänglich sein. Wenn die Wände über wärmedämmende und tragende Elemente von der Stahlbetondecke entkoppelt werden, macht es Sinn, die gesamte Wärmedämmschicht über der Decke anzuordnen. In Bild 4.2.7 sind für diesen Fall die Wärmebrückenverluste bei Backstein- und Kalksandsteinmauerwerken, bei drei unterschiedlichen Dämmelementen und für verschiedene Elementhöhen angegeben. Es können Wärmebrückenverluste mit ψ-Werten von 0,055 bis 0,167 W/m·K erreicht werden. Die Einsatzmöglichkeit der wärmedämmenden und tragenden Elemente ist jeweils mit dem Bauingenieuer zu klären.
Wärmebrücke beim Dachrand
In der heutigen Baupraxis sind im Bereich des Dachrands immer noch Tragbleche üblich, welche die Wärmedämmschicht durchdringen. Dabei entsteht aber mit einem ψ-Wert von 0,217 W/m·K ein grosser Energieverlust (vgl. Bild 4.2.8, Variante 1). Durch thermisch entkoppelt montierte Bleche lässt sich der Wärmebrückenverlust massiv verringern. Wird zwischen Blech und Deckenstirne beispielsweise ein 3 cm dicker Wärmedämmstoffstreifen eingefügt (Variante 2), verringert das den Wärmebrückenverlust um 67 % auf ψ = 0,071 W/m·K.
Wärmebrücke bei Attikabrüstung
Für die Attikabrüstung wurden drei Varianten rechnerisch untersucht (vgl. Bild 4.2.9).
- Variante 1 ist sozusagen die Ausgangssituation: Die Attikabrüstung aus Kalksandsteinmauerwerk durchdringt die Wärmedämmschicht. Ein hoher Wärmebrückenverlust von ψ = 0,252 W/m·K ist die Folge.
- Die übliche Reaktion auf dieses Problem ist, die Brüstung zu überdämmen (Variante 2). Damit kann der Wärmebrückenverlust auf ψ = 0,092 W/m·K reduziert werden.
- Als Ideallösung ist anzustreben, den Wärmedämmperimeter «direkt» zu schliessen. Dies lässt sich durch eine thermisch entkoppelt aufgemauerte Attikabrüstung erreichen, wie sie in Variante 3 skizziert ist. Mit einem Perinsul-Element und einer etwa alle 1,6 m angeordneten Vertikalarmierung (punktförmiger Wärmebrückenverlust von ψ = 0,033 W/K berücksichtigt) kann der Wärmebrückenverlust auf insgesamt ψ = 0,04 W/m·K reduziert werden.
Wärmebrücke beim Balkon
Thermisch optimal sind separat abgestützte Balkone (vgl. Bild 4.2.10). Wenn das Baugesetz dies nicht erlaubt – etwa weil die Balkone über die Baulinie hinausragen –, bleibt quasi nur der Anschluss mit Kragplatten. In diesem Fall beschränkt sich der Optimierungsspielraum auf die Güte des Anschlusselements. Variiert werden kann beispielsweise die Qualität des Stahls oder es können Elemente mit faserverstärkten Kunststoffen eingesetzt werden. Realistisch ist für konventionelle Kragplattenanschlüsse ein ψ-Wert um etwa 0,3 W/m·K, der durch den Einsatz von Elementen mit faserverstärkten Kunststoffen etwa um einen Faktor 3 reduziert werden kann.
Wärmebrücken beim Fenstereinbau
Selbst bei Holzbauten, wo es in der Regel möglich ist, fast wärmebrückenfrei zu bauen, führt der Fenstereinbau immer zu zusätzlichem Wärmeverlust. Stellvertretend auch für die Wärmebrückenverluste beim Fenstereinbau im Brüstungs- bzw. Schwellenbereich und beim Sturz (wo noch weitere Einflussfaktoren wie z. B. die Sturznische dazukommen) wird im Folgenden nur auf den seitlichen Fensteranschluss in die Aussenwand eingegangen.
Der Einfluss des Fenstereinbaus zeigt das Bild 4.2.4 für den Holzbau (Holzrahmenbau) und das Bild 4.2.11 für den Massivbau (Aussenwärmedämmung, verputzt oder mit hinterlüfteter Bekleidung). Es wurde ein Fenster berücksichtigt, das zu einem minimalen Wärmebrückenverlust beim Einbau führt; bei Holz-Metall- oder Metallfenstern wäre der Wärmebrückenverlust noch bedeutend höher.
Der seitliche Fensteranschlag führt dann zum kleinsten Wärmeverlust und somit auch zum kleinsten Wärmebrückenverlust für den Fenstereinbau, wenn dieses im Mittenbereich der Holzbaukonstruktion bzw. im inneren Bereich der Aussenwärmedämmung von massiven Aussenwänden angeschlagen wird (ψE = 0,097 bzw. 0,049 W/m·K). Beim Holzbau wird der Wärmebrückenverlust deshalb grösser als beim Massivbau, weil der statisch-konstruktiv erforderliche Holzrahmen im Leibungsbereich den Wärmebrückenverlust beeinflusst. Beim ganz aussen angeschlagenen Fenster sind die Energieverluste am grössten, wobei sich dies wegen der veränderten Bezugsebenen nicht zwangsläufig im ψE-Wert manifestiert. Auch das ganz innen angeschlagene Fenster ist energetisch ungünstiger als das im Mittenbereich angeordnete Fenster; diese Anschlagsart führt jedoch zu einem kleineren Wärmeverlust als das ganz aussen angeschlagene Fenster und zudem sind die raumseitigen Oberflächentemperaturen bei dieser Detailausbildung maximal hoch.
Weil die Differenzen bei den Wärmebrückenverlusten sehr gross sein können (je nach Fenster, konstruktiven Randbedingungen, Lage des Fensters und Detailausbildung), sollten die effektiven Wärmebrückenverluste jeweils objektspezifisch für die verschiedenen Details (Leibung, Sturz, Brüstung) rechnerisch ermittelt werden.