Moderne Fenstertechnik und deren Bauphysik

Moderne Gebäude und deren Bauteile stehen im Zeichen der Klimaschutzdiskussion genauso wie die zu erneuernden Bauteile bestehender Bauten zum Zwecke der energetischen Sanierung und des Werterhalts der Immobilie. Wichtig bei allen Energiesparbemühungen ist die Berücksichtigung der weiteren vielfältigen Aufgaben von Fensterelementen wie Funktionalität, Ästhetik, Schallschutz, Einbruchhemmung, Langlebigkeit und damit Nachhaltigkeit, um nur einige weitere zu nennen. Hierfür gibt es zahlreiche Normen und gesetzliche Vorgaben, die je nach Einsatzbereich zu beachten sind.

EnEV 2007. Die wichtigste gesetzliche Grundlage bildet die Energieeinsparverordnung, kurz EnEV, die in der Fassung “2007“ seit dem 01. Oktober 2007 bundesweit gesetzlich gültig ist. Diese Ausgabe bildet die Grundlage für das breitgefächerte energiesparende Bauen in Deutschland. Neben den neuen Regelungen für den “Energieausweis“ für Gebäude finden sich in bewährter Form die Anforderungen an Wohn- und Nichtwohn-Gebäude getrennt in Neu- und Altbau-Anforderungen.

Wie bei der ersten EnEV im Jahre 2002 bleibt auch in der neuesten Fassung der Gesamtenergieverbrauch von Gebäuden im Neubau das Maß aller Dinge. Dabei muss der Planer je nach Gebäudeform einen bestimmten Jahres-Primärenergiebedarf unter Berücksichtigung des mittleren U-Werts der Gebäudehülle in Form des spezifischen Transmissionswärmeverlustes nachweisen. Im Rahmen der Nachweisführung für neue Gebäude ist dabei unverändert keine Bauteil-U-Wert-Vorgabe mehr gesetzlich verankert. Das im Jahre 2002 endgültig abgeschaffte Einzel-Bauteilverfahren ermöglicht dem Planer endlich die gestalterische Freiheit, die unverzichtbar für anspruchsvolle und moderne Gebäudearchitektur ist. Entscheidend ist schlussendlich die Gesamtbilanz inklusive aller Effekte aus Gebäudehülle und Heizungsanlage. Wie viel Kilowattstunden, bzw. Liter Heizöl oder Kilogramm Erdgas werden jährlich verbraucht ? Das ist die Frage aller Fragen, die es energetisch zu beantworten gilt und deren Ergebnisse direkt auch in den CO2-Gesamtverbraucheines Gebäudes umgerechnet werden kann.

Einzig im Bereich der bestehenden Gebäude, bei deren Sanierung nicht immer eine Energiebilanz erstellt wird, existiert in der Anlage 3 der EnEV eine Tabelle bei denen Fenster mit einem U-Wert bis zu 1,7 W/(m2K) eingebaut werden dürfen. Ein Wert, der sich auf ein Fenster in Prüffenstergröße bezieht und heute dank moderner Verglasungen von praktisch jedem Fenstersystem leicht erreicht werden kann. Zwangsläufig ergibt sich bei diesem Wert aber auch, dass Fenstergrößen unter Prüffenstergröße höhere U-Werte erhalten.

Die EnEV basiert auf Europäischen Normen. Obwohl die EnEV als Verordnung nur in Deutschland gesetzliche Gültigkeit besitzt, basieren nahezu alle technischen Grundlagen auf rund 200 zumeist europäischen Grundlagen-Normen und Rechtsvorschriften. Im Falle der wärmetechnischen Eigenschaften für Fenster und Außentüren ist zum Beispiel die Norm EN ISO 10077 “Wärmetechnisches Verhalten von Fenstern, Türen und Abschlüssen“ zu nennen, die mittlerweile in ganz Europa als Grundlage zur U-Werte-Ermittlung von Fenstern und Türen bekannt ist. Dabei wird der Grundtenor aller europäischen Normen ersichtlich: Keine Konstruktionsvorgaben mehr, sondern “nur“ noch Prüfnormen, die das Rezeptbuch für einheitliche und damit vergleichbare Bewertungsgrundlagen in Europa bilden. Dadurch werden sämtliche Konstruktionen und Systeme direkt vergleichbar. Der Prozess der europäischen Harmonisierung, der nach Erscheinung einer Europa-Norm das Zurückziehen der nationalen Norm zur Folge haben sollte wird allerdings noch einige Zeit in Anspruch nehmen, immerhin existieren weit über 45 0 harmonisierte Baunormen, die bereits umgesetzt oder sich derzeit in der Umsetzung befinden.

Die drei Wärmeverlustwege durch Fenster. Wärme kann bauphysikalisch vereinfacht gesehen auf drei Hauptwegen durchs Fenster hindurchdringen: Durch die Verglasung, den Rahmen und der Kopplungsstelle dieser beiden: der Glasrandzone. Dementsprechend setzt sich der gesamte U-Wert eines Fensters aus genau diesen drei Komponenten zusammen. Dabei wird die jeweilige Verglasungs- und Rahmenfläche, sowie die sichtbare Glasrandlänge mit den Einzel-U-Werten Ug für die Verglasung (g steht für “glazing“), Uf für den Rahmen (f steht für “frame“) und dem linearen U-Wert Ψg für die Glasrandzone (Ψ ist bekanntlich der griechische Buchstabe “psi“ als Bezeichnung für diesen speziellen längenbezogenen U-Wert der Verglasungs-Rahmen-“Mischzone“) zu einem Gesamtwärmeverlustwert in Watt pro Kelvin zusammengefasst. Danach wird die Summe aller Wärmeübertragungen auf die Gesamtfläche des Fensters bezogen, um so den UW-Wert für das Fenster zu erhalten (W steht hier für “window“). Als bekannte Einheit des U-Werts ergibt sich so die “W/(m2K)“.

Grenzwerte nur für bestehende Gebäude. Wie oben bereits erwähnt existieren nur noch für den Altbau-Bereich und dessen energetische Sanierungsvorhaben Einzelbauteil-Vorgaben (UW=1,7W/(m2K) für Fenster). Für den Neubau-Sektor sind theoretisch alle U-Werte denkbar und möglich, solange die Gesamtenergiebilanz des gesamten Gebäudes die Jahres- Primärenergiebedarf-Obergrenze nicht überschreitet und der mittlere Gebäudehüllen-U-Wert (HT’) eingehalten wird.

Gebäudedichtheit. Ein großer Trend, insbesondere für neu zu erstellende Gebäude, ist die Planung einer “dichten“ Gebäudehülle. Zunächst leuchtet dies aus energetischer Sicht ein, denn durch zugige Fugen und Ritzen geht unnötig Wärmeenergie unkontrolliert nach draußen. Diese Wärmeverluste gilt es einzudämmen. Jedoch gibt die EnEV selbst im §6 “Dichtheit, Mindestluftwechsel“ unter Absatz (2) deutlich den Hinweis, dass Gebäude so auszuführen sind, dass “der zum Zwecke der Gesundheit und Beheizung erforderliche Mindestluftwechsel sichergestellt ist.“ Das ist allerdings nicht möglich bei extrem dichten Gebäuden, deren Gebäudedichtheitsmessung Luftwechselwerte nahe Null dokumentieren. Gemäß der entsprechenden Anlage 4 der EnEV wird ein Gebäude ohne raumlufttechnische Anlage bei bis zu 3-fachen Luftaustausch des kompletten Gebäudevolumens in einer Stunde bei Prüfbedingungen mit 50 Pa Über- oder Unterdruck, immer noch als “dicht“ eingestuft !

Raumluftfeuchtigkeit. Luft besitzt die Fähigkeit Wasser in Wasserdampfform aufzunehmen und zwar je mehr je wärmer die Luft ist. Daher finden sich in den Sommermonaten die höchsten Feuchtemengen in der Luft und im Winter die geringsten wieder. Daher sind die Wintermonate ideal zum Trockenlüften von Neubauten. Sind Gebäude jedoch zu dicht gebaut, so kann sich leicht der Feuchtigkeitsgehalt in der Raumluft aufsummieren und zwar aus folgenden Quellen: Die Baufeuchte, die bis zu 4 Jahren in den entsprechenden Baustoffen überhöht zu finden ist und das Bewohnen selbst mit allen Aktivitäten wie waschen, kochen, duschen, baden, Pflanzen gießen, ja sogar das Atmen selbst, denn immerhin gibt jeder Mensch 0,1 Liter pro Stunde an Feuchtigkeit ab. Diese Ansammlung an Wasser in der Gebäudeluft gilt es mehr denn je gezielt und bewusst abzulüften. Dabei ist es für die Feuchtigkeit selbst unerheblich, ob sie durch natürliche Fenster-Lüftung oder Lüftungsanlagen den Weg ins Freie findet, Hauptsache sie wird abtransportiert. Erhöht sich der Feuchtegehalt in der Raumluft durch fehlenden Abtransport dennoch, so kann sie an ganz bestimmten Stellen als Tauwasser sichtbar werden. Und zwar an den kältesten Innenflächen auf einer modernen Gebäudehülle: Den Glasrandzonen der Fenster. Genau an diesen Übergängen sitzen im Innern der Verglasung die sogenannten Abstandhalter aus Metallprofilen mit dem Effekt, dass der lokale U-Wert so niedrig liegt, dass die Oberflächentemperatur unterhalb des Taupunktes liegen kann. Aus diesem Grund sammelt sich dort das Tauwasser aus der Raumluft. Dieser Effekt verstärkt sich und verursacht insbesondere bei moderner offener Grundrissbauweise in den oberen frei erreichbaren nicht abgetrennten Stockwerken größere Tauwassermengen an den Fensterelementen. Das Fenster wird hier als Messinstrument umfunktioniert, dass einfach eine überhöhte Raumluftfeuchtigkeit anzeigt und an die Bewohner meldet. Dieser rein physikalische Vorgang der Tauwasserbildung kann generell bei allen Fensterkonstruktionen inklusive von Passivhauskonstruktionen erzeugt werden und fordert zum Handeln auf: Überhöhte Feuchtigkeiten ablüften und überschüssige Feuchtemengen abwischen. Dieser Vorgang ist bei ordentlich ausgeführter Fensterqualität kein Reklamationsgrund und eine der grundlegendsten Normen des Baubereichs lässt ausdrücklich Tauwasser auf Fenster und Pfosten-Riegel-Fassaden zu: Die DIN 4108-Teil 2. Diese Grundlagennorm ist gesetzlich in der EnEV verankert und regelt die verbindlichen Mindestanforderungen an den Wärmeschutz.

Wärmeschutz im Bereich von Wärmebrücken. Die DIN 4108-Teil 2 gibt im Kapitel 6.2 “Maßnahmen zur Vermeidung von Schimmelpilzbildung“ konkrete Hinweise mit welchen gültigen Nachweismethoden die ungünstigsten, d.h. die kältesten Stellen der Gebäudehülle nachgewiesen werden müssen. Dabei sollte die niedrigste Oberflächentemperatur in den als Wärmebrücken bezeichneten Anschlussbereichen nicht unter 12,6°C rutschen, da sonst die Gefahr von Schimmelpilzbildung erhöht wird. Ausdrücklich heißt es aber wörtlich: “Fenster sind davon ausgenommen.“ Weiter heißt es “Die Tauwasserbildung ist vorübergehend und in kleinen Mengen an Fenstern sowie Pfosten-Riegel-Konstruktionen zulässig,....“. Das heißt im Klartext: Da Tauwasser bei den üblichen Randbedingungen (20°C, 50% Rel. Luftfeuchte) im Rauminnern nur bei Temperaturen unterhalb von rund 9°C auf der entsprechenden Oberfläche entstehen kann, bedeutet dies z.Bsp. für den unteren Glasrandzonenbereich eben auch, dass genau diese niedrigen Temperaturen auftreten dürfen, und zwar ganz einfach konstruktionsbedingt! Und solange die Abstandhalter in der Isolierglastechnik den Stand der Technik markieren, werden Temperaturen unterhalb von 9°C auftreten können und genauso lange wird Tauwasser auf Fenstersystemen, gleich welcher Bauart bis hin zu den passivhaustauglichen, auftreten.

Einflussfaktoren zur Tauwasserreduzierung. Planerisch kann eine Tauwasserbildung durch ungestörte Luftzirkulationen im Bereich der Fenster minimiert werden. Insbesondere bei der architektonisch anspruchsvollen Außenlage der Fenster mit logischerweise tiefen Fensterleibungen innen, ist auf eine solche Luftzirkulation zu achten. Zumindest sollten vom Bewohner keine schweren Vorhänge oder allzu üppige Pflanzenausstattungen in den Leibungen das Heranführen der Raumwärme behindern. Diese Raumwärme dient nämlich zur notwendigen Erhöhung der Oberflächentemperaturen im kompletten Leibungsbereich bis hin zum Fenster.

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