Anforderungen an Fenster

Fenster sind von entscheidender Bedeutung für die Behaglichkeit im Raum. Schlecht gedämmte Fenster bilden vergleichsweise kalte Flächen in der Fassade - sie erzwingen eine aktive Wärmezufuhr in der Nähe des Fensters, um Kaltluftabfall, Zugerscheinungen und „Kältestrahlung“ auszugleichen.

Ein gut wärmedämmendes Fenster kann die Behaglichkeit dagegen selbst herstellen. Solche Fenster mussten für Passivhäuser eigens entwickelt werden: Sie werden auch „Warmfenster“ genannt. Inzwischen sind sie von über 100 Herstellern am europäischen Markt verfügbar. Es sind die weltbesten heute erhältlichen Energiesparfenster.
Jedes Fenster, aus jeder Fenstermaterialgruppe, kann heute auch in der Qualität eines Passivhausfensters hergestellt¹⁾ werden. Das ist tatsächlich einer der sinnvollsten Wege zu besserem Klimaschutz - es reduziert nicht nur die CO₂ Emissionen signifikant, sondern auch die Heizkosten und verbessert dabei auch noch den Komfort.

Diese Passivhausfenster verringern die Wärmeverluste gegenüber üblichen neuen Fenstern um mehr als 50%. Sie sind nicht nur ein wenig verbesserte Durchschnitts-Produkte, sondern um den entscheidenden Schritt weiterentwickelt: Diese Verbesserung um rund einen Faktor 2 führt zu einer neuen Qualität, die sich in drei Eigenschaften zeigt:

• Ein aus sich selbst heraus behagliches Raumklima;

• eine auch für den Kernwinter positive Energiebilanz ist möglich - wenn die Fenster annähernd südorientiert und wenig verschattet sind²⁾ ;

• die Eignung für den Einsatz in Passivhäusern und bei der EnerPHit-Sanierung. Für ein Warmfenster sind vier Merkmale wichtig (hier Bezug zum mitteleuropäischen Klima):

• Die Dreischeiben-Wärmeschutzverglasung oder eine vergleichbar gute Glaskombination,

• der wärmegedämmte Randverbund („warme Kante“, engl. „warm edge“),

• der speziell gedämmte Fensterrahmen und

• ein optimierter Einbau in die Wand.

Diese Komponenten sind so gut aufeinander abgestimmt, dass ein Fenster mit einem Wärmeverlust entsteht, der nur halb so hoch ist wie bei guten modernen Standardfenstern. Das ist erforderlich, um in kalten Nächten immer noch eine behaglich hohe innere Oberflächentemperatur zu garantieren. Weil das Fenster zugleich aber auch direktes und indirektes Sonnenlicht in den Raum lässt, ergibt sich mit diesen hochwertigen Fenstern auch im mitteleuropäischen Kernwinter eine positive Energiebilanz bei geeigneten Orientierungen und nicht zu starker Verschattung.

Der Wärmedurchgangskoeffizient eines Warmfensters beträgt höchstens 0,80 W/(m²K) (berechnet nach der europäischen Norm EN 10077). Durch den niedrigen Wärmeverlust liegt die innere Oberflächentemperatur auch in kalten Nächten in Mitteleuropa immer noch bei etwa 17 °C. Unter diesen Umständen ist die Behaglichkeit in Fensternähe ausgezeichnet: Es gibt weder störende „kalte Strahlung“ vom Fenster, noch einen unangenehmen Kaltluftsee am Boden. Warmfenster erhöhen daher den Komfort in den Räumen.

Warmfenster werden in jedem Passivhaus-Neubau benötigt. Aber sie können auch in jedem anderen Gebäude nützlich sein: Z.B. auch bei der Sanierung von Altbauten. ||

Worauf achten bei Passivhaus-Fenstern? Wie jedes Fenster muss es für den Gebrauch tauglich sein. Darin unterscheiden sich Passivhausfenster nicht von gewöhnlichen Fenstern.

Als entscheidend für die Funktion innerhalb eines Passivhauses hat sich das Behaglichkeitskriterium herausgestellt: Die mittlere Oberflächentemperatur der Fenster-Innenoberfläche inklusive aller Anschlussdetails sollte am Auslegungstag im Winter nicht mehr als 4,2°C unter der Raumtemperatur liegen. Daraus lassen sich für jede Klimaregion Anforderungen an den effektiven Fenster-U-Wert ableiten. Für Mitteleuropa, hier beträgt die minimale tagesmittlere Außentemperatur um -17°C, ergibt sich daraus die Anforderung:

Effektiver Fenster-U-Wert U_w nicht größer als 0,80 W/(m²K).

Passivhaus-Fenster sind damit gegenüber üblichen modernen Fenstern um etwa einen Faktor 2 verbessert. Durch den niedrigen Wärmeverlust liegt die innere Oberflächentemperatur dann auch in kalten Nächten in Mitteleuropa immer noch bei etwa 17 °C. Unter diesen Umständen ist die Behaglichkeit in Fensternähe ausgezeichnet: Es gibt weder störende „kalte Strahlung“ vom Fenster, noch einen unangenehmen Kaltluftsee am Boden. Zum Thema thermischer Komfort vgl. auch die Seite Thermische Behaglichkeit.
Entscheidend ist also der Wärmedurchgangskoeffizient oder U-Wert für das gesamte Fenster. Dieser Wert wird durch die Bestandteile Verglasung, Rahmen und Randverbund beeinflusst. Mit schlechteren Fenster-U-Werten ist Passivhausqualität in der Regel nicht zu erreichen.

Für die Bestimmung des Fenster-U-Wertes gibt es eine europaweit gültige Norm: EN 10077. Die Werte nach dieser Norm haben sich als realistisch herausgestellt - durch die Norm werden auch Wärmebrücken durch den Abstandhalter der Isolierverglasung berücksichtigt. Dies war nach alten Verfahren nicht der Fall, weshalb alte Verfahren oft viel zu geringe rechnerische Wärmeverluste bestimmen. Alte Werte, wie z.B. k_F („Fenster-k-Wert“), sollte man heute nicht mehr verwenden.

In die Berechnung des Fenster-U-Wertes U_w nach EN 10077 gehen ein

• der Verglasungs-U-Wert U_g und die Fläche der Verglasung A_g ,
• der U-Wert des Rahmens U_f und die Projektionsfläche des Rahmens A_f ³⁾)
• der Wärmebrückenverlustkoeffizient am Glasrand Ψ_g (der im Wesentlichen durch den Randverbund bestimmt wird) und die Länge l_g des Glasrandes
• dazu kommt der Wärmebrückenverlustkoeffizient durch den Einbau des Fensters in der Außenwand Ψ_Ein und die Länge l_Ein des Einbaurandes.
  
  

Diese Zeichnung zeigt die relevanten Größen: Verglasungsfläche Ag (glazing); Rahmenfläche Af (frame); Längen des Glasrandes lg (glazing rebate); Einbaulänge lEin

Um sich nicht über die Eigenschaften des Fensters zu täuschen, ist es entscheidend, alle oben genannten Wärmeverluste zu berücksichtigen. Dies erfolgt nach der Formel: $$U_W = \frac{A_g \cdot U_g + A_f \cdot U_f + l_g \cdot \Psi_g + (l_{Ein} \cdot \Psi_{Ein}) }{A_g+A_f} $$ Gerade die Wärmebrücke am Rand der Verglasung spielt eine große Rolle; wenn man sie vernachlässigt, sind die Ergebnisse viel zu optimistisch. Wie groß der Randeinfluss ist, kann man z.B. an der folgenden Abbildung erkennen.

Innenthermographie eines Passivhausfensters: Die ungestörten Oberflächen von Verglasung und Rahmen sind gleichmäßig warm (18 bis 19°C in diesem Bild). Jedoch ist entlang des gesamten Glasrandes sehr gut ein Temperaturrückgang erkennbar (gelb, ca. 16,5 bis 17°C). Die Temperaturen sind zwar immer noch hoch genug, um Tauwasser sicher auszuschließen. Aber die Wärmeverluste sind in diesem Bereich messbar erhöht - daher muss der Wärmebrückenverlust des Glasrandes berücksichtigt werden. Bei Passivhausfenstern werden besondere Maßnahmen getroffen, um diese Verluste gering zu halten. Zum Beispiel besser dämmende Abstandshalter („warm edge“) aus Edelstahl oder Kunststoff. Auch die etwas niedrigeren Temperaturen an der Einbaukante des Fensters zur Wand hin sind gut zu erkennen. Bei Fenstern älterer Bauart sind alle diese Temperaturen viel geringer - oft sind sie dann so gering, dass messbar höhere Feuchtigkeiten vorliegen. (Randbedingungen der Aufnahme: Raumtemperatur 22 °C, Außenlufttemperatur 2,5 °C; Passivhausfenster beim Sanierungsprojekt „Jean Paul Platz“ in Nürnberg; hier mehr Informationen zu diesem Projekt).

Ein Fenster lässt zugleich direktes und indirektes Sonnenlicht in den Raum. Der Gesamtenergiedurchlassgrad g gibt an, welcher Anteil der eingestrahlten Sonnenenergie bei senkrechtem Einfall von der Verglasung durchgelassen wird. Passivhaus-Fenster sollen eine positive Energiebilanz auch im Winter aufweisen können, d.h. es wird für die Verglasung gefordert:

U_g - 1,6 W/(m²K) · g ≤ 0

Wird diese Bedingung erfüllt, so kann durch passive Sonnenenergienutzung mit einem solchen Fenster sogar in der Heizperiode mehr Solarenergie aufgefangen werden als das Fenster nach außen an Wärme verliert.

Passivhausfenster sind keine Energielöcher mehr in der Fassade, sondern erlauben im Gegenteil eine Energiegewinnung. Das gilt zumindest so lange, wie das Fenster nicht übermäßig verschattet wird und eine Orientierung zwischen Südost und Südwest aufweist. Die folgende Grafik zeigt diesen Effekt in der Praxis.
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Der solare Wärmegewinn kann recht genau schon bei der Planung mit dem PHPP (Passivhaus Projektierungs Paket) vorausberechnet werden.

Es kommt somit auf beides an⁴⁾ :

• Auf den Fenster-U-Wert U_w als Kennzeichnung der Wärmeverluste; vor allem, weil das Fenster ja auch in der kalten Winternacht keine unangenehm kalte Oberfläche haben soll. Der U-Wert sollte möglichst klein sein, jedenfalls kleiner als 0,80 W/(m²K).
• Auf den Verglasungs-Gesamtenergie-Durchlass-Wert g als Kennzeichnung für den möglichen solaren Wärmegewinn. Dieser g-Wert sollte möglichst hoch sein; Werte um 0,5 sind heute gängig.

Selbstverständlich ist es günstig, wenn das Fenster nur einen geringen Rahmenanteil hat, denn über den Rahmen gibt es keine Energiegewinne, nur Verluste. Allerdings darf das nicht zu sehr auf Kosten des U-Wertes gehen.

Hinweis zu einem weit verbreiteten Gerücht: Es ist keinesfalls so, dass der Fenster-U-Wert nicht besser (d.h. kleiner) sein darf als der U-Wert der Außenwand. Diese 'Warnung' kommt durch ein Missverständnis bei den bauphysikalischen Ursachen für Feuchteprobleme bei alten Konstruktionen zustande; richtig ist jedoch: Kondensat an Außenbauteilen gibt es nur in dem Fall, dass die Temperatur am betreffenden Bauteil so gering ist, dass dort der Taupunkt unterschritten wird. Das passiert aber unabhängig von den U-Werten der anderen Bauteile - die spielen dabei so gut wie keine Rolle; wohl ein evtl. verringerter Luftaustausch durch luftdichte neue Fenster - dem müssen wir durch ausreichendes Lüften gegenhalten, auch dabei spielt wieder der U-Wert des neuen Fensters keine Rolle (genaueres dazu: hier).

Sie haben Spaß am Handwerken, alte Fenster und möchten neue einbauen? Das ist gar nicht so schwer, wie es sich vielleicht im ersten Momant anhört. Hier gibt es eine Schritt-für-Schritt-Anleitung, wie das funktioniert!

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Anforderungen an den Wärmeschutz von Fenstern in Passivhäusern

Fenster in einer schrittweise durchgeführten Sanierung - Der Fall "erst Fenster, dann Wärmedämmung"