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Definition und Auswirkungen von Wärmebrücken 🌡️
Einführung
Wärme sucht sich ihren Weg vom beheizten Raum nach außen. Dabei geht sie den Weg des geringsten Widerstandes1).
Als Wärmebrücke bezeichnet man einen örtlich begrenzten Bereich der Gebäudehülle, wo sich im Vergleich zu unmittelbar angrenzenden Bereichen ein veränderter (meist erhöhter) Wärmefluss einstellt (eine Temperaturdifferenz zwischen innen und außen vorausgesetzt).
Auswirkungen von Wärmebrücken sind:
- Veränderte, meist verringerte innere Oberflächentemperaturen; das kann im schlimmsten Fall zum Durchfeuchten von Bauteilen und Schimmelwachstum führen (das sind die wirklich schädlichen, die 'bösen' Wärmebrücken).
- Veränderte, meist erhöhte Wärmeverluste
In aller Regel entschärft ein verbesserter Wärmeschutz der Regelflächen gleichzeitig bereits alle 'bösen Wärmebrücken'; insbesondere dann, wenn der Wärmeschutz außen angebracht wird2). Bei innenliegender Dämmung allerdings muss aufgepasst werden: Da müssen durch Inkompetenz erzeugte 'böse Wärmebrücken' systematisch vermieden werden3): Ein plötzliches Enden der Dämmung ist hier nämlich nicht zulässig - und die Lösung dafür lautet „Dämmkeil“, vgl. unsere diesbezüglichen Seiten.
Beide Auswirkungen können in energieeffizienten Gebäuden4) vermieden werden: Die Oberflächentemperaturen sind dann überall so hoch, dass es zu keiner kritischen Feuchtebelastung mehr kommen kann - und die zusätzlichen Wärmeverluste werden vernachlässigbar klein. Sind die Wärmebrückenverluste kleiner als ein Grenzwert (festgelegt auf 0,01 W/(mK)), so erfüllt das Detail die Kriterien für „wärmebrückenfreies Konstruieren“.
Werden die Kriterien an wärmebrückenfreies Konstruieren überall eingehalten, so müssen sich die Planer und der Bauherr keine Sorgen mehr um kalte und nasse Flecken machen - und auch der Berechnungsaufwand für die Heizwärmebilanz wird viel geringer.
Wärmebrückenfreies Konstruieren führt zu substantiell verbesserten Details. Dadurch wird die Dauerhaftigkeit der Konstruktion erhöht - und es wird Heizenergie eingespart.
Definition von Wärmebrücken in der Normung
In der [DIN10211] (Wärmebrücken im Hochbau – Wärmeströme und Oberflächentemperaturen – Detaillierte Berechnungen) sind die numerischen Vorgehensweisen Rund um die Berechnung von Wärmebrücken enthalten. In ihr werden die Wärmebrücken wie folgt definiert (Kapitel 3.1.1):
Wärmebrücken, die im Allgemeinen an jeder Verbindungsstelle zwischen Bauteilen oder an Stellen auftreten, wo sich die Zusammensetzung der Baustruktur ändert, haben, verglichen mit wärmebrückenfreien Bauteilen, zwei Auswirkungen:
- Änderung des Wärmestroms
- Änderung der inneren Oberflächentemperatur
Eine Übersicht erhält man, wenn zunächst die Vorgehensweise zur Bestimmung der Transmissionswärmeverluste $H_T$ der Gebäudehülle betrachtet wird. In folgender Gleichung der Norm DIN 14683 (Kapitel 4.2) wird unterschieden zwischen eindimensionalen, zweidimensionalen und dreidimensionalen Wärmeströmen.
\begin{align}
&\Large{H_{T} = \underbrace{\sum_{i}A_{i}U_{i}}_{1d}+\underbrace{\sum_{k}l_{k}\varPsi_{k}}_{2d}+\underbrace{\sum_{j}\chi_{j}}_{3d}}\\\\
Mit\qquad&\\
A_{i}\qquad&\text{die Fläche der Bauteile, in $m^2$}\\
U_{i}\qquad&\text{der Wärmedurchgangskoeffizient von Bauteil $i$ der Gebäudehülle, in $W/(m^2\cdot K)$}\\
l_{k}\qquad&\text{die Länge der linienförmigen Wärmebrücke $k$, in $m$}\\
\varPsi_{k}\qquad&\text{der Wärmedurchgangskoeffizient der linienförmigen Wärmebrücke $k$, in $W/(m\cdot K)$}\\
\chi_{j}\qquad&\text{der Wärmedurchgangskoeffizient der punktförmigen Wärmebrücke $j$, in $W/K$}
\end{align}
Den größten Anteil am Gesamtwärmestrom besitzen die ebenen Regelbauteile wie zum Beispiel die ungestörten Dachflächen und Außenwände. Bei ihnen kann der Wärmedurchgang mit guter Näherung als eindimensional angenähert werden. Der Grund dafür ist, dass in ihnen quasi keine Querwärmeströme auftreten, bedingt durch einen homogenen Schichtaufbau. Der Wärmedurchgangskoeffizient U ist in der Norm [DIN6946] definiert und kann mit geringem Aufwand mit folgender altbekannten Gleichung berechnet werden:
\begin{align}
&U=\dfrac{1}{R}=\dfrac{1}{R_{si}+\frac{d_{0}}{\lambda_{0}}+\frac{d_{1}}{\lambda_{1}}+\dots+\frac{d_{n}}{\lambda_{n}}+R_{se}}\\\\
Mit\qquad&\\
R_{si}\qquad&\text{der innere Wärmeübergangswiderstand, in $m^2 \cdot K/W$}\\
d_{n}\qquad&\text{die Dicke der $n$-ten Bauteilschicht, in $m$}\\
\lambda_{n}\qquad&\text{der Bemessungswert der Wärmeleitfähigkeit den $n$-ten Schicht, in $W/(m\cdot K)$}\\
R_{se}\qquad&\text{der äußere Wärmeübergangswiderstand, in $m^2 \cdot K/W$}
\end{align}
Der zwei- und dreidimensionale Wärmestromanteil der Gebäudehülle wird durch Wärmebrücken ausgedrückt. Sie sind definiert durch eine geometrische, konstruktive und oder stoffliche Änderung und weisen in der Regel einen höheren Wärmestrom und niedrigere Oberflächentemperaturen auf, als die angrenzenden Regelbauteile. Sie treten vor allem an Bauteilstößen, Kanten, Übergängen und Durchdringungen der Regelbauteile auf. Abgebildet werden sie durch den längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten $\varPsi$ mit der Einheit W/(mK) und dem punktuellen Wärmedurchgangskoeffizienten $\chi$ in W/K.
Auswirkungen
Zusätzliche Wärmeverluste
Die Auswirkungen von Wärmebrücken auf die Energiebilanz, sind nicht nur abhängig von der physikalischen Wirkung sondern auch von der Art der Berücksichtigung. So können Wärmebrücken in Rahmen von Energiebilanzierungen wie folgt abgebildet werden:
- pauschal über Wärmebrückenzuschlag $ \Delta U_{bw} = 0,10 \quad W/(m^2\cdot K)$ (EnEV)
- reduzierter Wärmebrückenzuschlag $ \Delta U_{bw} = 0,05 \quad W/(m^2\cdot K)$ (DIN 4108 Beiblatt 2)
- Ψ-Wert aus Wärmebrückenkatalogen z.B. (DIN EN ISO 14683)
- Ψ -Werte aus Berechnung aus (DIN EN ISO 10211)
- keine Berücksichtigung im Falle der Wärmebrückenfreiheit
Der tatsächliche Anteil der Wärmebrücken an den Transmissionswärmeverlusten der Gebäudehülle kann im Grunde nur angegeben werden, wenn die Ψ -Werte für ein konkretes Gebäude berechnet werden. Es wird davon ausgegangen, dass Wärmestromsimulationen mit einer Unsicherheit von ca. 5 % behaftet sind, andere Methoden wie zum Beispiel die Verwendung von Wärmebrückenkatalogen sind bereits mit Unsicherheiten bis zu 20 % behaftet (DIN EN ISO 14683, Kapitel 5.1). Von der Verwendung der Wärmebrückenzuschläge für Passivhäusern wird abgeraten, da sie zu einer Überschätzung der Wärmeverluste führen.
Eine allgemein gültige Angabe, wie groß die tatsächlichen Wärmeverluste durch Wärmebrücken sind, ist allerdings nicht möglich. Dazu sind sie in ihrer Art und Anzahl zu individuell, daher abhängig sind, von dem jeweiligen Gebäude. Beispielsweise müssen sich Wärmebrücken nicht immer negativ auf Bilanzierungen auswirken, bei effizienten Neubauten, gerade im Bereich von Passivhäusern, kann die Berücksichtigung der Ψ -Werte den Heizwärmebedarf durchaus verringern. Im Altbau und bei sanierten Bestandsgebäuden wirken sich Wärmebrücken im Allgemeinen jedoch negativ aus, sie können laut [EnerPHIT] erfahrungsgemäß einen zusätzlichen Wärmeverlust von bis zu 20 % verursachen. Am Beispiel verschiedener Bauprojekte ergaben sich Erhöhungen beim Jahresheizwärmebedarf um bis zu 14 kWh/(m²a). Eine sorgfältige Planung bzgl. der Wärmebrücken kann daher entscheidend dafür sein, ob bei einem Bauprojekt der Passivhausstandard überhaupt erreicht wird.
Auswirkung auf die Baukonstruktion
Im Unterschied zu ebenen Bauteilen, kommt es an Wärmebrücken zu einer Änderung der Wärmestromdichte und damit meist zu einer lokalen Senkung der raumseitigen Oberflächentemperatur. Dieser Effekt wird begünstigt, da in Kanten und Ecken die Luftzirkulation eingeschränkt ist. Schränke und andere Wohnungseinrichtungen stören nicht nur die Konvektion, sondern schränken auch den Strahlungsaustausch mit der Umgebung ein. Da der Wasserdampfgehalt der Luft abhängig von der Temperatur ist, kann es an besagten Stellen zu Tauwasserausfall kommen.
Das anfallende Tauwasser kann durch Kapillarwirkung der Baustoffe weiter in die Konstruktion eindringen, die Wärmeleitfähigkeit weiter erhöhen und damit durch weitere Auffeuchtung das Bauteil regelrecht durchnässen. Feuchteschäden an der Baukonstruktion und Schimmelpilzwachstum sind anschließend nicht mehr zu verhindern. Große Schäden gehen jedoch einher, mit generellen Fehlern bei der Planung, Ausführung und Nutzung von Gebäuden und sind kein reines Problem von Wärmebrücken. Sie sind jedoch Keimzellen, an denen es zuerst zu Problemen kommt. Das Risiko von Schimmelpilz im Innenbereich von Wärmbrücken und den damit möglichen toxischen Wirkungen auf den Menschen, muss nichtsdestotrotz gesondert betrachtet werden. Vor allem da Schimmelpilzwachstum bereits oberhalb der Taupunkttemperatur, demnach ohne vorhanden sein von Tauwasser, stattfindet. Für die bauphysikalische Modellbetrachtung kann von Schimmelbildung ausgegangen werden, wenn relative Oberflächenfeuchten von 80 % für die Dauer von 12 h/d vorherrschen (Fachbericht 4108-8).
Anforderungen
Die aktuellen Regeln der Technik (DIN 4108-2), schließen das Risiko von Schimmelpilz im Bereich von Wärmebrücken aus, wenn die minimalen Oberflächentemperaturen unter den vorgestellten stationären Randbedingungen nicht mehr als 12,6 °C betragen. Dies entspricht einem $f_{Rsi}$-Faktor von 0,7:
$$ f_{Rsi,min}=\dfrac{12,6^{\circ} C -(-5^{\circ} C)}{20^{\circ} C - (-5^{\circ} C)}=0,7 $$
Je höher der $f_{Rsi}$-Faktor ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit von Schimmelbefall. Für Bau- und Wandsysteme im Rahmen von zertifizierten Passivhaus-Komponenten, sind die Anforderung an den $f_{Rsi}$-Faktor auch vom Klima abhängig.