Bei keinem anderen Bauteil verlief die Entwicklung zu immer besserer Qualität des Wärmeschutzes so stürmisch wie bei den Fenstern. Der Wärmedurchgangskoeffizient (U_w-Wert) der marktverfügbaren Fenster hat sich in den letzten 40 Jahren um mehr als einen Faktor 8 verringert!

Hier geben wir zunächst eine qualitative Übersicht zu den verwendeten Verglasungen, den lichtdurchlässigen Bestandteilen der Fenster; der Fachbegriff dafür ist „transparentes Bauteil“. Für die Energiebilanz wird eine Verglasung durch zwei wesentliche Größen gekennzeichnet: Zum einen durch einen Wärmedurchgangskoeffizient oder U-Wert; hier unterscheidet sich die Verglasung nicht grundsätzlich von den nicht-lichtdurchlässigen Bauteilen¹⁾, der U-Wert erlaubt es, den Wärmeverlust durch die Verglasung zu bestimmen. Zum anderen lässt dieses Bauteil aber auch Licht, genau genommen einen gewissen Anteil der eintreffenden Strahlung²⁾ durch; die mit dieser Strahlung transportierte Energie wird im Gebäude nahezu vollständig in Wärme umgewandelt³⁾. Zur Kennzeichnung dieses Durchlassen von kurzwelliger Strahlung⁴⁾ verwenden wir den Gesamtenergiedurchlass-Koeffizienten g⁵⁾.

Anfang der 70er Jahre waren die meisten Fenster in Deutschland noch einfachverglast:

• Der U-Wert lag bei etwa 5,5 W/(m²K),

• der jährliche Wärmeverlust durch ein 1 m² Fenster erforderte ungefähr den Energieaufwand von 60 Litern Heizöl.

⇒ Jeder Quadratmeter eines solches Fenster „kostet“ damit Jahr für Jahr bei durchschnittlichen Wärmepreisen 42 € an Heizkosten⁶⁾.

Aber nicht nur die Energieverluste sind hoch: Durch die schlechte Dämmung kann die Kälte direkt auf die Innenoberfläche durchgreifen. Nicht selten liegt die Temperatur dort unter 0 °C – das wird in Form von Eisblumen sichtbar. Schlechter Wärmeschutz ist mit geringer Behaglichkeit und hohem Schadensrisiko verbunden.

Etwas besser waren die sogenannten „Isolierglasscheiben“. Nach der ersten Ölkrise wurden sie in Neubauten und bei Modernisierungen eingesetzt. Zwischen zwei Scheiben ist dabei eine dämmende Luftschicht eingeschlossen. Da Luft die Wärme wesentlich schlechter leitet als z.B. Glas, wird so der Wärmetransport durch Wärmeleitung stark reduziert: allerdings bleibt im so geschaffenen Glaszwischenraum immer noch ein beträchtlicher Wärmetransport durch Wärmestrahlung übrig, so dass der U-Wert zwar bedeutend sinkt, aber leider nicht so stark, wie das auf Basis der Wärmeleitfähigkeiten naiv zu erwarten wäre.

• Der Wärmedurchgangskoeffizient sinkt dadurch auf etwa 2,8 W/(m²K) ⁷⁾ . Das bedeutet: Etwa die Hälfte des Wärmeverlustes gegenüber der Einfachverglasung wird eingespart.

• Die innere Oberflächentemperatur beträgt bei Isolierverglasung an sehr kalten Tagen ungefähr 7,5 °C. Eisblumen gibt es dann nicht mehr – aber die Fensteroberfläche wird immer noch unangenehm kalt und bei kaltem Wetter wird sie regelmäßig nass, weil der Taupunkt weit unterschritten wird⁸⁾ .

• Auch schlägt der Wärmeverlust immer noch mit über 21 € jährlich zu Buche - in 15 Jahren mehr, als ein Fenster kostet. Sehr viele Fenster im Gebäudebestand haben heute noch solche „Isolierglasscheiben“. Es lohnt sich, diese baldmöglichst zu ersetzen⁹⁾ .
  
  

Einen bedeutenden Fortschritt brachte die Verwendung von hauchdünn aufgebrachten Metallschichten zum Scheibenzwischenraum hin (englisch „low-e“-Schicht genannt). Dadurch konnte die Wärmestrahlung zwischen den Scheiben stark reduziert werden.

• Darüber hinaus wurde das Füllgas Luft durch weniger wärmeleitende Edelgase ersetzt, meist wird Argon verwendet. Die so am Markt eingeführten „Wärmeschutzverglasungen“ wurden mit der Wärmeschutzverordnung von 1995 zum nahezu überall verwendeten Standardprodukt bei Neubau und Modernisierung.

• Eine interessante Tatsache ist, dass sich das Produkt „Verglasung“ trotz der enormen Qualitätsverbesserung real nicht verteuert hat.

• Ein übliches Fenster mit Holz- oder Kunststoffrahmen und gewöhnlichem Randverbund kommt mit diesen heute gängigen Wärmeschutzverglasungen auf einen U-Wert zwischen etwa 1,3 und 1,7 W/(m²K). Damit hat sich der Wärmeverlust gegenüber dem „Isolierglas“ noch einmal halbiert.

• Die durchschnittliche innere Oberflächentemperatur liegt nun auch bei strengem Frost bei etwa 13 °C. Jedoch ist auch jetzt der Kaltluftabfall am Fenster noch bemerkbar und eine störende Temperaturschichtung im Raum noch nicht ausgeschlossen. In Mitteleuropa gibt es Tauwasser bei dieser Verglasungsqualität auf der Innenseite nur noch am Rand.
  

Den Durchbruch für das energiesparende Bauen in Deutschland schafft erst die Dreischeiben-Wärmeschutzverglasung.

• Indem zwei Scheibenzwischenräume mit low-e-Schicht und Edelgasfüllung hintereinandergeschaltet werden, werden U-Werte zwischen 0,5 und 0,8 W/(m²K) erreicht.

• Will man diese Qualität nicht nur für die Verglasung, sondern auch für das gesamte Fenster erreichen, so müssen auch ein gut gedämmter Fensterrahmen und ein thermisch getrennter Randverbund verwendet werden.

⇒ Das Ergebnis ist ein „Warmfenster“ oder „Passivhausfenster“, bei welchem sich der jährliche Energieverlust auf weniger als 7 Liter Heizöl pro Quadratmeter Fensterfläche verringert – etwa ein Achtel des Ausgangswertes.

Ebenfalls zu berücksichtigen ist, dass die durch das Passivhausfenster gratis einfallende Sonnenenergie auch im Kernwinter die Wärmeverluste meist sogar aufheben kann. Es gibt daher bei geeigneter Ausrichtung¹⁰⁾ und nicht allzu starker Verschattung sogar Nettoenergiegewinne. Das Fenster kann dann vom „Kälteloch“ zur „Heizung“ werden¹¹⁾. Übrigens: Die Dreischeiben-Wärmeschutzverglasung „rechnet“ sich heute bei jedem Fensterkauf allein durch die erreichte Energieeinsparung im Vergleich zu gewöhnlichen neuen Fenstern.

Die möglichen Energiegewinne über die Fenster passen genau zum Wärmeschutzniveau der gedämmten Hülle (mit U-Werten um 0,15 W/(m²K)). Mit diesen beiden Qualitäten zusammen wird das Passivhaus im nasskalten Mitteleuropa erst möglich. Es resultiert ein Haus mit vernachlässigbaren Wärmeverlusten – ein Haus, das komfortabel warm bleibt und mit der in der Fortluft noch enthaltenen Wärme allein beheizt werden kann.

Auch das Passivhausfenster zeichnet sich nicht nur durch die geringen Wärmeverluste aus, sondern ebenso durch weiter verbesserte Behaglichkeit. Bei strengem Frost sinkt die innere Oberflächentemperatur jetzt nicht mehr unter 17 °C.

• Unter diesen Umständen wird „kalte Strahlung“ vom Fenster nicht mehr wahrgenommen.

• Auch gibt es keine störende Temperaturschichtung im Raum mehr, selbst dann nicht, wenn kein Heizelement unter dem Fenster steht – natürlich müssen dazu auch die anderen Passivhauskriterien eingehalten sein wie Luftdichtheit und Wärmebrückenfreiheit.

Unter diesen Umständen ist die thermische Behaglichkeit im Raum unabhängig von der Art der Wärmezufuhr gewährleistet. Dass dies möglich wurde, daran haben gerade die verbesserten Fenster einen bedeutenden Anteil.

Hier sind die wichtigen Komponenten für das Warmfenster:

• Dreischeibenwärmeschutzverglasungen,

• wärmedämmende Fensterrahmen aus Holzwerkstoffen,

• wärmedämmende Fensterrahmen aus Kunststoffen,

• wärmedämmende Pfosten-Riegel-Konstruktionen,

• thermisch getrennte Abstandhalter,

• Hilfsmittel für die wärmebrückenfreie Fenstermontage und für den luftdichten Einbau von Fenstern.
  

Wärmebildaufnahme eines Passivhausfensters von der Innenseite. Alle Oberflächen sind angenehm warm: Blockrahmen, Flügelrahmen und die Verglasung. Selbst am Glasrand sinkt die Temperatur in diesem Bild nicht unter 15 °C ab (Aufnahme: PHI; Objekt: Passivhaus Darmstadt Kranichstein; dort stehen die Heizkörper an den Innenwänden).	Zum Vergleich ein isolierverglastes Altbau- fenster: hier liegen schon die mittleren Ober- flächentemperaturen unter 14 °C. Aber auch der Einbau zeigt auffällige Wärmebrücken, besonders am Betonsturz (Aufnahme: PHI).	Zweischeiben-Wärmeschutzverglasun- gen (hier bei einer neu eingebauten Fenstertür) haben schon höhere Ober- flächentemperaturen (16 °C im Mittel). Auffällig ist bei dieser Aufnahme die sehr schlechte Dämmung des konven- tionellen Fensterrahmens. So hohe Wärmeverluste und niedrige Ober- flächentemperaturen müssen heute nicht mehr sein: Passivhausrahmen erlauben eine bedeutende Qualitätsverbesserung.

Passivhausfenster sind hochwertige Produkte, die inzwischen von mehr als 100 Herstellern entwickelt wurden und am Markt erhältlich sind. Die Energieeinsparung gegenüber herkömmlichen Fenstern beträgt nicht wenige Prozent, sondern mehr als die Hälfte der sonst über die Fenster verlorenen Energie. Diese Fenster sparen aber nicht nur Energie und damit bares Geld, sie dienen auch dem Klimaschutz. Passivhausfenster sind ein Musterbeispiel für effiziente Technik, die in Europa entwickelt wurde und regionale Arbeitsplätze schafft – und dabei gleichzeitig die angespannten Energiemärkte entlastet.

Die Entwicklung führte zu immer besseren Verglasungen: Vom 1-fach-Glas (ganz links) bis zu den Passivhaus geeigneten Verglasungen (rechts). Nur diese haben auch bei strenger Kälte behaglich warme Innenoberflächen. Geringerer Energie- verlust und bessere Behaglichkeit gehen Hand in Hand. (Klima für das Diagramm: Frankfurt a.M.)

Weiter zur Bestimmung der U-Werte von Mehrfachverglasungen quantitativ 🌡️

Zurück zum Grundkurs Bauphysik Wärme - Übersicht 🌡️

Übersicht zu den Passipedia-Artikeln zum Thema „Fenster“