PROFINE Bauphysik am Fenster P. Špiroch A.D. 2006.
-
Upload
anne-marie-straub -
Category
Documents
-
view
124 -
download
2
Transcript of PROFINE Bauphysik am Fenster P. Špiroch A.D. 2006.
PROFINE
Bauphysik am Fenster
P. Špiroch A.D. 2006
Programm
- Wärmeschutz
- Schallschutz
Wärmetransport
Die drei Arten des Wärmetransport :
- Wärmeleitung - Konduktion
- Wärmeströmung - Konvektion
- Wärmestrahlung - Radiation
Wärmeleitung - Konduktion
Wärmeleitung:
Transport der Wärme in festen Materialien und in Flüssigkeiten
Wärme verbreitet sich immer aus der wärmeren Stelle in die kältere Stelle und dabei entsteht der Wärmestrom
Bei Wärmeleitung sind zwei Fouriers-Gesetzte gültig
Wärmeleitung – stationär
Das 1.Fouriers-Gesetzt für die stationäre Wärmeleitung
(keine Änderung der Temperatur in der Zeit)
q = -λ . grad Θ (W/m)
q……………. Wärmestromdichte (W/m2)
λ …….…….. Wärmeleitfähigkeit (W/mK)
grad Θ…….. Gradient der Temperatur (K/m)
(Temperaturzuwachs mit der Lage dΘ/dx)
Wärmeleitfähigkeit λ (W/mK)
Die Wärmeleitfähigkeit ist das Vermögen eines Stoffes
thermische Energie mittels Wärmeleitung in Form von
Wärme zu transportieren. Sie ist abhängig von:
- Rohdichte
- Porosität
- Feuchtigkeit!
Wärmeleitung – instationär
2. Fouriers-Gesetz für instationäre Wärmeleitung
2
2
xt
)/(......
)(.....
)(....
2 smeitleitfähigkTemperatur
ssZeitzuwacht
KgveränderunTemperatur
Wärmeleitung – instationär
Temperaturleitfähigkeit (Wärmediffusivität):
Dient der Beschreibung der zeitlichen Veränderung der
räumlichen Verteilung der Temperatur durch Wärmeleitung
als Folge eines Temperaturgefälles.
c
)3/(...
)/(....
)/(....
mkgRohdichte
kgKJWärmeespezifischc
mKWähigkeitWärmeleitf
Wärmeleitung – Konduktion
- Wie warm oder kalt sich ein Körper "anfühlt" wird im ersten Moment durch
die Temperaturleitfähigkeit bestimmt; nach einiger Zeit (wenn das
Temperaturfeld stationär wird) nur noch durch die Wärmeleitfähigkeit (λ)
Material α Material α
Aluminium 99 Verputz 0,58
Gold 127 Glaswolle 0,58
PVC 0,11 Beton 0,54
Holz 0,12 Glas 0,50
Stationär oder instationär…?
- Instationäre Wärmeleitung benutzen wir ausschliesslich dort,
wo die Wärmekapazität maßgeblich das Verhalten des
untersuchten Problemes beeinflusst – verschlechtert.
- Stationäre Wärmeleitung führt fast immer (Wärmeverluste,
Kondensationsprobleme etc.) zu Ergebnissen, die auf der Seite
der Sicherheit stehen!
Stationär oder instationär…?
…also – STATIONÄR !
Instationär
- Zeitabhängiger Verlauf der Aussentemperatur
- Innentemperatur an der Oberfläche verläuft (zeitlich) phasenverschoben
- Wärmestrom lässt sich kumulieren – Wärmeverlust dan gemäss U-Wert
Wärmeströmung - Konvektion
- Transport der Wärme in Flüssigkeiten und in Gasen.
- In der Bauphysik am meisten vorhanden auf den inneren uns
äusseren Oberflächen, die mit Luft umgeströmt werden.
- Über das Newton-Gesetz kann der Wärmeübergang in der
Grenzschicht definiert werden.
Wärmeströmung - Konvektion
- Newtons-Gesetz über Wärmekonvektion
C)(peratur...Lufttem
C)(Oberflächedertur...Tempera
K)(W/mktionWärmekonvederbeiffizientergangskoe...Wärmeüb
)(W/mLuftderundOberflächederzwischenromdichte...Wärmest
a
s
2k
2k
Θ
Θ
α
q
)(
askkq
Wärmeübergangskoeffizient α (W/m2K)
- Der Wärmeübergangskoeffizient beschreibt die Fähigkeit eines
Gases oder einer Flüssigkeit, Energie von der Oberfläche eines
Stoffes abzuführen bzw. an die Oberfläche abzugeben.
- = Wärmeübergangswiderstand Rs (m2K/W)1
Wärmeübergangskoeffizient α (W/m2K)
ist abhängig von:
- Temperatur der Aussenluft
- Temperatur der Oberfläche
- Geschwindigkeit der Anströmung der Oberfläche
- Rauheit der Oberfläche
- Länge der Oberfläche
- Evtl. Zustandsänderung an der Oberfläche (z.B. Kondensation
oder Verdunstung)
Wärmeübergangskoeffizient α (W/m2K)
α (W /m2K) / Rs
( m2K/W)
- Freie Innenoberfläche 8 / 0,13
- Ecken und für die Luft schlecht zugängige Stellen 4 / 0,25
- Fenster innen 8 / 0,13
- Aussenoberfläche Sommer 15 / 0,07
- Aussenoberfläche Winter 23 / 0,04
- Kondesation oder Verdunstung an d. Oberfläche 10000 / 0
Wärmestrahlung - Radiation
- Es handlet sich um Übertragung von elektro-magnetischen Wellen
mit den Wällenlängen zwischen 760 – 3000 nm.
- Die Strahlungsfähigkeit der Körper ist bestimmt mit deren
Temperatur, Farbe und der Rauheit der Oberfläche.
- Glatte und helle Oberflächen strahlen weniger als raue und
dunkle.
Wärmestrahlung - Radiation
- Grosse Wirkung auf die Strahlung hat die Sauberkeit der Luft –
ist in der Luft Wasserdampf in höheren Konzentrationen
enthalten, saugt er einen Teil der Strahlungsenergie auf
- Die Gesamtmenge der Strahlungsenergie, die auf die
Oberfläche auftrifft wird teilweise absorbiert, teilweise reflektiert
und teilweise geht sie durch. (Transmission)
Wärmestrahlung - Radiation
Für die Wärmestromdichte bei der Radiation
gilt das Stefan-Bolzmann Gesetz:
4.rq
)(...15,273
.../10.67,5
...
)/(...
428
2
KOberflächenstrahlendederTemperaturabsolute
KonstanteBolzmannStefanKmW
KörpersschwarzenabsolutdesStrahlungderKoefizient
mWRadiationderbeidichteWärmestromqr
Wärmestrahlung - Radiation
- Die meisten Oberflächen sind jedoch nicht schwarz, sondern
„grau“, sodass deren Koeffizient der Strahlung um deren
Emmisionsgrad ε verringert wird
- Emmisionsgrad, oder Emmisivität ist Eigenschaft des Körpers
Energie in Form von Wärme abzustrahlen
4.. rq
Wärmetransport ist ein komplexes Problem
- Auf dem Fenster und allgemein am Bau wickeln sich ständig
alle 3 Wege des Wärmetransportes ab. Um diese einfacher zu
beschreiben, wurden die 3 Wege vereinfacht und in einen
einzigen Weg (Wärmeleitung) praxisnah umgewandelt.
- Für unsere Zwecke - wegen der niedrigen Wärmekapazität der
Fensterkonstruktionen – reicht uns die stationäre Betrachtung
des Wärmetransportes
Wärmedurchlasswiderstand Rλ
- Deshalb beschränkt sich für uns der Wärmetransport auf die
bekannten Begriffe - Wärmedurchlasswiderstand Rλ (m2K/W)
und U-Wert (W/m2K)
)/(
)(
)/( 2
1
mKWSchichtjeweiligenderähigkeitWärmeleitfi
mSchichtjeweiligenderDicked
WKmd
RR
i
i
ii
n
i
U Wert
- U ist eine Reziproke des Wärmedurchgangs
- Wärmedurchgang ist die Summe der
Wärmedurchlasswiderstände Rλ der jeweiligen Schichten des
Bauteils und der Wärmeübergangswiderstände Rsi und Rse
)/(1 2KmW
RRRU
sise
U Wert
- Der U-Wert sagt uns, wieviel Wärme in Watt geht durch eine
Fläche von 1m2 bei Temperaturunterschied zwischen Innen und
Aussen von 1K (…1°C).
- Der eigentliche Wärmestrom in Watt wird dann wie folgt
berechnet…
)()..( WAieUQ
Wärmestrom
)2(...
)(....
)(...
...
)()..(
mBauteilesdesFlächeA
CraturInnentempei
CeraturAussentempe
WärmestromQ
WAUQ ie
Wärmeverlust
- Wollen wir die Energiekosten berechnen, müssen wir den
Wärmestrom mit der Zeit multiplizieren
)(....
)(....
)(....
)(....
....
2
)(.)..(
hZeitT
mBauteilesdesFlächeA
CZeitenbetrachtetderinraturInnentempelicheDurschnitt
CZeitenbetrachtetderineraturAussentemplicheDurschnitt
ZeitderinstWärmeverluQ
Li
Le
LiLe WhTAUQ
Rechenbeispiel
- Im Haus mit 25 m2 Fenster mit U=3,0 W/m2K werden die
Fenster gewechselt. Die neuen Fenster haben U=1,3 W/m2K.
- Die Heizperiode beträgt 156 Tage, durschnittliche
Temperaturen innen sind 20°C, aussen –5°C.
- Die Gesamtinvestition in die neuen Fenster beträgt günstige
2700€. 1kWh kostet 0,1€.
- Wann wird die Investition mit der gesparten Energie bezahlt?
Ergebnis
6,79 Jahre
U-Wert des Fensters
izientgangskoeffWärmedurchlinearer
desRandverbundesLänge
WertUGlasU
GlasflächeA
WertURahmenU
heRahmenfläcA
g
g
g
f
f
KmWAA
UAUAUw
gf
gggff
...
...l
...
...
...
...
g
)/(.l.. 2g
Linearer Wärmedurchgangskoef.Ψ
- Berücksichtigt die lokale Wärmebrücke im Randverbund des
Isolierglases
- Für Aluminiumabstandshalter im Kunststoff-Fenster ist ψ = 0,06
W/mK
- Heutige beste Abstandshalter wie z.B. SWISSPACER V2 oder
SuperSpacer haben ψ = 0,03 W/mK
Einfluss des Ψ Wertes
- Fenstergrösse 1,2 x 1,5 m -> Gesamtfläche 1,8 m2
- Rahmenfläche = 0,59 m2 Uf = 1,3 W/m2K
- Glasfläche = 1,21 m2 Ug = 1,1 W/m2K
- Länge des Randverbundes = 4,44 m
- Ψ = 0,06 W/mK (Al) Ψ = 0,03 W/mK (SuperSpacer)
- Uw = 1,31 W/m2K Uw = 1,24 W/m2K
Fenster U-Wert – Zusammenhänge
- U Wert ist ein Durchschnittswert des Wärmetransportes durch
das Fenster
- Er ist abhängig unter anderem auch von:
- Grösse des Fensters
- Qualität des Glasabstandshalters
- Tiefe des Glaseinstandes
- Bautiefe des Systems und seiner Kammerkonstruktion
- Qualität der Verglasung (Emmisivität der Funktionsschicht + Qualität der
Gasfüllung im SZR)
Fenster U-Wert – Zusammenhänge
U-Wert - R-Wert
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0,15
0,25
0,35
0,45
0,55
0,65
0,75
0,85
0,95
1,05
1,15
1,25
1,35
1,45
1,55
1,65
1,75
1,85
1,95
2,05
R (m2K/W)
U (W
/m2K
)
U-Wert Berechnung auf dem Bau
siei
ipi
RU
).(
WKmundzwischeniseüblicherweGlas..amR
innendtanersergangswid...WärmeübR
Cemperatur...AussentΘ
Cinnenturhentempera..OberfläcΘ
C)(mepratur....RaumteΘ
si
si
e
ip.
i
/125,025,0
)(
)(
2
Temperaturverteilung (TV) in Konstruktionen
- U-Wert selbst reicht nicht um die Wärmeverteilung in den
Konstruktionen zu beschreiben!
- TV ist wichtig um Wärmebrücken und Kondensation des
Wasserdampfes zu entdecken um diese vermeiden oder
begrenzen zu können.
- Es wird üblicherweise in 2D durchgeführt
- Ergebniss sind Isothermen und Verteilung der
Wasserdampfkonzentration in der Konstruktion
- Es kann somit auch der U-Wert von komplexen Detailen ermittelt
werden
Temperaturverteilung in Konstruktionen
- Ermöglicht die Wärmebrücken zu entdecken
- Ermöglicht auch festzustellen, ob und evtl. wo Kondensation
des Wasserdampfes vorkommt.
- Die Oberflächenkondensation ist konsequent zu vermeiden –
sonst entsteht Schimmelpilz!
- Kondensation auf den Oberflächen, sowie in den
Konstruktionen führt zu Bauschäden, die am schwierigsten zu
sanieren sind!
Temperaturverteilung
Izothermen
Feuchteverteilung
Kondesation in der Konstruktion
Behaglichkeit
Ein Raum wird als behaglich empfunden, wenn die
Differenz zwischen :
- Wandoberflächentemperatur und Raumluft weniger als 4 °C
- Fuß- bis Kopfhöhe weniger als 3 °C
- Wandoberflächentemperaturen (Strahlungsasymmetrie) weniger als 5 °C beträgt und
- die Luftgeschwindigkeit und ihre Turbulenz klein ist (keine Zugerscheinungen).
- Dabei bedingt die unterschiedliche Raumnutzung individuelle Temperaturwünsche der Nutzer. Erfahrungsgemäß gelten als behaglich:
- Wohnraum (20 ... 22) °C
- Schlafraum (16 ... 18) °C
- Bad (24 ... 26) °C
Behaglichkeitsempfinden des Menschen
Tauwasserproblematik – Diffusion des Wasserdampfes
- Baunormen und Vorschriften fordern streng: Die Fugen zur
Aussenumgebung sind dauerhaft luftundurchlässig
abzudichten…!
- Weil Wasserdampfmoleküle kleiner sind, als Luftmoleküle,
bedeutet luftdicht nicht automatisch wasserdampfdicht !
Tauwasserproblematik
- In bewohnten Räumen wird jedoch Wasserdampf ständig
produziert durch:
- Atmen
- Kochen
- Waschen
- Pflanzen und Tiere
- Sex
Tauwasserproblematik
- Falls diese Feuchtigkeit nicht durch Lüften entfernt wird, steigt
deren Konzentration in der Luft. Die Folge ist die Kondensation
an den kältesten Oberflächen (Ecken, Fenster, Leibungen,
Brüstung, Schraubenköpfen etc.)
- Diese führt zu Schimmelpilz und weiteren Bauschäden
- Deshalb ist die Oberflächenkondensation zu vermeiden!
Luft und Feuchtigkeit
- Die Luft enthält den Wasserdampf.
- Die Menge des Wasserdampfes, die die Luft binden kann ist von der Temperatur der Luft abhängig.
- Je wärmer die Luft, desto mehr Wasserdampft kann sie binden!
- Relative und absolute Feuchtigkeiten sind also dirket mit der Temperatur der Luft verbunden!
Abhängigkeit der rel. Luftfeuchte auf der Temperatur
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
-15 °C -10 °C -5 °C 0 °C 5 °C 10 °C 15 °C 20 °C 25 °C 30 °C
Temperatur °C
Dic
hte
g/m
3
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
rel.F.%
Taupunkt-Temperaturen
t relative Feuchtigkeit der Luft %
°C 20 30 40 50 60 70 80 90
10 -10,62 -6,00 -2,62 0,07 2,60 4,79 6,71 8,44
11 -9,87 -5,22 -1,82 0,99 3,54 5,75 7,69 9,42
12 -9,13 -4,45 -1,03 1,91 4,48 6,70 8,66 10,41
13 -8,38 -3,68 -0,24 2,83 5,42 7,66 9,63 11,40
14 -7,64 -2,91 0,63 3,75 6,36 8,62 10,61 12,39
15 -6,89 -2,14 1,52 4,67 7,30 9,58 11,58 13,37
16 -6,15 -1,37 2,42 5,59 8,24 10,53 12,55 14,36
17 -5,41 -0,60 3,31 6,51 9,18 11,49 13,52 15,35
18 -4,67 0,18 4,21 7,43 10,12 12,45 14,50 16,33
19 -3,94 1,05 5,10 8,35 11,06 13,40 15,47 17,32
20 -3,21 1,91 5,99 9,26 12,00 14,35 16,44 18,31
21 -2,48 2,77 6,89 10,18 12,94 15,32 17,42 19,30
22 -1,75 3,64 7,78 11,10 13,88 16,27 18,39 20,28
23 -1,02 4,50 8,68 12,02 14,81 17,23 19,36 21,27
24 -0,29 5,36 9,56 12,93 15,75 18,19 20,33 22,26
25 0,49 6,22 10,46 13,85 16,69 19,14 21,30 23,24
Luft und Feuchtigkeit
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
g/m3 1,38 2,14 3,24 4,84 6,80 9,40 12,80 17,30 23,00 30,30
-15 °C -10 °C -5 °C 0 °C 5 °C 10 °C 15 °C 20 °C 25 °C 30 °C
Richtige Raumlüftung
- Heizung ausschalten.
- Kurzfristige intensive Lüftung mit voll geöffneten Fenstern
- Der einfachste Indikator ist die äussere Fensterscheibe – bis
die beschlagen bleibt – wird gelüftet!
- Heizung nach dem Lüften wieder einschalten.
Richtige Raumlüftung
- So wird am schnellsten die feuchte Innenluft mit der trockenen
Aussenluft ersetzt, ohne dass die Innenkonstruktionen abgekühlt
werden
- Die Wärmekapazität der Innenluft ist so gering, dass mittels der
Stosslüftung am wenigsten Energie verloren geht.
- Dauerhafte Lüftung mittels Kippstellung des Flügels ist dagegen
eine ungeiegnete und wärmevegeudende Art !
Richtige Raumlüftung
- Die trockene Luft, die von Aussen kommt, wird auch schneller
erwärmt, als feuchte Luft.
- Bei der trockenerer Luft reichen auch niedrigere Temperaturen
um sich behaglich zu fühlen!
END OF PART 1
PAUSE
Schallschutz
- Weil sich die in jeweiligen Ländern gültigen Normen
unterscheiden, erwähnen wir hier nur die allgemeinen
Prinzipien und Regel.
- Luftschall (verbreitet sich in Luft und mit Luft!)
- Körperschall (Trittschall)
- Menschliches Gehör - Frequenzbereich 16Hz – 20000 Hz
- Im Bauwesen benutzen wir am meisten Frequenzbereich 100 –
5000 Hz
Schalldämm-Mass am Fenster
- Wird vom Rahmenmaterial, Dichtungen, Beschlag und
Verglasung bestimmt
- Steigt grundsätzlich mit der Masse (Gewicht)
- Sinkt immer mit Undichtheiten
- Jede Resonanz verschlechtert das Schalldämm-Mass!
- Resonanzen am Glas sind deshalb mit unterschiedlichen
Glasdicken zu begrenzen
Schallschutz
- Die Kennwerte werden auf den Prüfständen ohne Schall-
Nebenwege ermittelt – Schalldämm-Mass Rw (dB)
- Am Bau werden spielen auch die Nebenwege mit
(Anschlussfuge) – R´w (dB)
- Der Verlust am Bau ist üblicherweise ca. 2dB, jedoch kann bei
wenig schallisolierenden Nebenkonstruktionen auch 20 dB
betragen!
- Deshalb ist es sehr wichtig das gewünschte Schalldämm-Mass
direkt am Bau zu überprüfen!
Schalldämm-Mass
Schalldämmung
- Es wird auch das Spektrum der Geräusche berücksichtigt mit
dem Spektrum-Anpassungswerten C und CTR.
- z.B. Rw = 38 (-1,-5) dB
- Ausschreibungswert Rw+CTR >35 dB ist damit NICHT erfüllt!
Allgemeine Regel
- Eine Verdoppelung der Lautstärke bedeutet Erhöhung des
Schalldruckspegel um 10dB
- Um die Lautstärke zu verdoppeln brauchen wir immer eine
zehnfachere Schallleistung!
- Eine doppelte Schallleistung bedeutet Erhöhung des
Schalldruckspegel um 3dB.
- 1dB Unterschied nimmt der Mensch nicht wahr.
Allgemeine Regel
- Je dichter ein Fenster, desto höher das Schalldämm-Mass
- Je dicker die Glasscheiben, desto besser das Schalldämm-Mass
- Mit der Dämmung des Hohlraums zwischen Randverbund
Isolierglases und Glasfalz erhöht sich auch das Schalldämm-Mass
- Zwei unterschiedliche Glasstärken verbessern Resonanzverhalten
und erhöhen das Schalldäm-Mass um ca. 3dB
Allgemeine Regel
- Je breiter der SZR, desto besser das Schalldämm-Mass (siehe
Kastenfenster)
- Schwergasfüllung im SZR verbessert Resonanzverhalten des SZR.
- Gewicht im Rahmen und Flügel verbesser den Schalldämm-Mass
- Spezielle Massnahmen – z.B. AluFusion vebessern Schalldämm-
Mass
- Montage beeinflusst DRAMATISCH das Schalldämm-Mass R´w !!!
Fugenausbildung
- Eine Fuge, durch die Luft durchgehen kann, dämmt so gut, wie
nicht.
- Je luftdichter die Anschlussfuge durchgeführt wird, somit besser
auch das Schalldämm-Mass
- Mit PU-Schaum ausgefüllte und abgeschnittene Anschlussfuge
hat Rw=24dB
- Mit PU-Schaum ausgefülte und versiegelte Anschlussfuge hat
Rw=51dB
Fugenausbildung
- Das Schalldämm-Mass der Anschlussfuge verbessern auch mit
folgenden Massnahmen:
- Versetzte Fuge
- Verleistung (Deckleisten)
- Versiegelung mit Abdichtungsbändern mit hoher
Komprimierung (1:4 – 1:5) oder mit Folien
- Beidseitige Anordnung von Abdichtungen
SCHLUSS !