Analyse und Bewertung von Energiebilanzen vorhandener, nachträglich wärmegedämmter Bauobjekte im Einfamilienhausbereich

Inhaltsverzeichnis II

  Inhaltsverzeichnis  

Inhaltsverzeichnis   II

  Abbildungs- und Tabellenverzeichnis  V

  Abkürzungsverzeichnis  VIII

  Vorwort  IX

1.  Einleitung  1

1.1  Aufgabenstellung  1

1.2  Zielsetzung  2

1.3  Gang der Arbeit  3

2.  Vorstellung der Untersuchungsobjekte (3 EFH)  5

2.1  Gebäude I  5

2.2  Gebäude II  5

2.3  Gebäude III  6

2.4  Allgemeines  6

3.  Bauphysikalische Grundlagen zur Bewertung des  7

  Energieverbrauchs der Untersuchungsobjekte (3 EFH)  7

3.1  Leistung, Verbrauch und Temperatur  7

3.2  Wärmeleitfähigkeit  7

3.3  Wärmedurchlasszahl, Wärmedurchlasswiderstand und  

  Wärmedurchlasskoeffizient  10

3.4  Wärmedurchgang, Wärmedurchgangswiderstand und  

  Wärmedurchgangskoeffizient  11

3.5  Wasserdampfdiffusionswiderstand  12

3.6  Bewertung  12

4.  Vorgaben für die Untersuchungsobjekte (3 EFH) aus der  16

  Energieeinsparverordnung 2007 (EnEV 2007 )  16

4.1  Bauliche Anforderungen und Maßnahmen durch die EnEV 2007 an  

  Gebäude im Bestand in Hinblick auf die Gebäudehülle  17

4.1.1  Außenwände  19

4.1.2  Fenster, Fenstertüren und Dachflächenfenster  20

4.1.3  Außentüren  20

4.1.4  Decken, Dach und Dachschrägen  21

4.1.5  Wände / Decken gegen unbeheizte Räume u. Erdreich  22

4.1.6  Vorhangfassaden  23

5.  Analyse der Gebäudehülle der Untersuchungsobjekte  25

  (3 EFH) nach folgenden Bauteilgruppen  25

5.1  Außenwandkonstruktion mit U-Wert  26

Inhaltsverzeichnis III

5.1.1  Gebäude I  27

5.1.2  Gebäude II  30

5.1.3  Gebäude III  33

5.1.4  Zusammenfassung  35

5.2  Dach/Decken  36

5.2.1  Gebäude I  36

5.2.2  Gebäude II  37

5.2.3  Gebäude III  38

5.3  Fußboden  39

5.3.1  Gebäude I  39

5.3.2  Gebäude II  40

5.3.3  Gebäude III  41

5.4  Resümee  42

6.  Mauerwerksaufbau und Dämmung der Außenwände der  43

  Untersuchungsobjekte (3 EFH)  43

6.1  Kerndämmung und Umsetzung der Einschäumung der Außenwände  

  mit Aminoplastortschaum  44

6.1.1  Die Bestandsaufnahme der Außenwandkonstruktion  47

6.1.2  Die Anforderungen der Dämmstoffe  50

6.1.3  Der Dämmstoff „Aminoplastortschaum“  52

6.1.4  Das Dämmungsverfahren  55

6.1.5  Vor- und Nachteile der Kerndämmung  57

6.2  Außen-Dämmung  58

6.2.1  Vor- und Nachteile der Außendämmung (WDVS)  61

6.3  Innendämmung  61

6.3.1  Vor- und Nachteile der Innendämmung  64

6.4  Fazit bezogen auf die Dämmungsarten  64

7.  Vergleich der Energiebilanzen (Energieverbrauch) der nach  66

  träglich wärmegedämmten Objekte mit Aminoplastortschaum  66

7.1  Vergleichskriterien  66

7.1  1 Veränderung des Heizverhalten  66

7.1.2  Veränderung der Bauteile und der Haustechnik  66

7.1.3  Veränderung der Nutzeranzahl  67

7.1.4  Klimafaktor (Witterungsbereinigung)  67

7.2  Energiebilanzen vor der Sanierungsmaßnahme  68

7.3  Energiebilanzen nach der Sanierungsmaßnahme  69

7.4  Vergleich anhand des Verbrauchs  72

Inhaltsverzeichnis IV

8.  Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der nachträglich kerngedämmten  

  Untersuchungsobjekte (3 EFH) mit Aminoplastortschaum  74

8.1  Verfahren zur Berechnung  75

8.2  Kosten-Nutzen Analyse  76

8.2.1  Investitionskosten  76

8.2.1.1  Gebäude I  77

8.2.1.2  Gebäude II  78

8.2.1.3  Gebäude III  79

8.2.2  Berechnung der monetären Energieersparnis  80

8.2.2.1  Preisentwicklung von Erdgas je Cent pro kWh  80

8.2.2.2  Einsparung Gebäude I  81

8.2.2.3  Einsparung Gebäude II  82

8.2.2.4  Einsparung Gebäude III  82

8.2.3  Durchführung der Kosten-Nutzen Analyse  83

8.2.3.1  Gebäude I  84

8.2.3.2  Gebäude II  85

8.2.3.3  Gebäude III  86

8.3  Äquivalentpreis der eingesparten Energie  87

8.3.1  Gebäude I  89

8.3.2  Gebäude II  90

8.3.3  Gebäude III  91

8.4  Amortisationsdauer  92

8.4.1  Gebäude I  94

8.4.2  Gebäude II  95

8.4.3  Gebäude III  96

8.5  Opportunitätskosten  97

8.5.1  Gebäude I  98

8.5.2  Gebäude II  99

8.5.3  Gebäude III  100

9.  Fazit der Arbeit  101

  Anlagenverzeichnis  103

  Quellenverzeichnis  107

  Abbildungs- und Tabellenverzeichnis  V

  Abbildungs- und Tabellenverzeichnis  

  Abb. 1 : Vorstellung Gebäude I  5

  Abb. 2 : Vorstellung Gebäude II  5

  Abb. 3 : Vorstellung Gebäude III  6

  Abb. 4 : Wärmeleitwert von Baustoffen  8

  Abb. 5 : Bemessungswerte der Wärmedurchlasswiderstände R von  

  Luftschichten  9

  Abb. 6 : Bau und Wärmedämmstoffe im direkten Vergleich  10

  Abb. 7 : Wärmedurchgang, Wärmedurchlass und Wärmeübergang  14

  Abb. 8 : Höchstwerte der Wärmedurchgangskoeffizienten bei erstmaligem  

  Einbau, Ersatz und Erneuerung von Bauteilen  24

  Abb. 9 : Energieersparnis bei der Dämmung der einzelnen Bauteile  25

  Abb. 10 : Wandaufbau Gebäude I  27

  Abb. 11 : Wärmedurchgangskoeffizienten-Berechnung vor Dämmung von  

  Gebäude I  28

  Abb. 12 : Wärmedurchgangskoeffizienten-Berechnung nach Dämmung von  

  Gebäude I  29

  Abb. 13 : Wandaufbau Gebäude II  30

  Abb. 14 : Wärmedurchgangskoeffizienten-Berechnung vor Dämmung von  

  Gebäude II  31

  Abb. 15 : Wärmedurchgangskoeffizienten-Berechnung nach Dämmung von  

  Gebäude II  32

  Abb. 16 : Wandaufbau Gebäude III  33

  Abb. 17 : Wärmedurchgangskoeffizienten-Berechnung vor Dämmung von  

  Gebäude III  34

  Abb. 18 : Wärmedurchgangskoeffizienten-Berechnung nach Dämmung von  

  Gebäude III  35

  Abb. 19 : Dach /Deckenaufbau Gebäude I  36

  Abb. 20 : Dach /Deckenaufbau Gebäude II  37

  Abb. 21 : Dach /Deckenaufbau Gebäude III  38

  Abb. 22 : Fußbodenaufbau Gebäude I  39

  Abb. 23 : Fußbodenaufbau Gebäude II  40

  Abb. 24 : Fußbodenaufbau Gebäude III  41

  Abb. 25 : Anteil der Außenwände an der Gebäudehülle  43

  Abb. 26 : Mauerwerksaufbau (zweischalig) von Außenwänden mit  

  Luftschicht  45

  Abb. 27 : Mauerwerksaufbau von Außenwänden, Kerndämmung mit UF  

  Ortschaum  46

  Abb. 28 : Vertikalschnitt einer typischen zweischaligen Außenwand  

  Mauerwerkskonstruktion  47

  Abb. 29 : Endoskopie eines zweischaligen Mauerwerks  48

  Abb. 30 : Mögliche Luftschichtdicke bei zweischalligem Mauerwerksaufbau  49

  Abb. 31 : Luftschicht zwischen Mauerwerksschalen  50

  Abb. 32 : Inhalt eines Güteüberwachungssiegel als Muster  51

  Abb. 33 : Erster Schritt, Bohrung  55

  Abb. 34 : Zweiter Schritt, Einführung  56

  Abbildungs- und Tabellenverzeichnis  

  Abb. 35 : Dritter Schritt, Bohrloch schließen  

  Abb. 36 : Vor- und Nachteile der Kerndämmung  

  Abb. 37 : Mauerwerksaufbau von Außenwänden, Außendämmung  

  Abb. 38 : Vor- und Nachteile der Außendämmung  

  Abb. 39 : Mauerwerksaufbau von Außenwänden, Innendämmung  

  Abb. 40 : Vor- und Nachteile der Innendämmung  

  Abb. 41 : Durchschnittsverbrauch (kWh) vor der Dämmung, Gebäude I  

  Abb. 42 : Durchschnittsverbrauch (kWh) vor der Dämmung, Gebäude II  

  Abb. 43 : Durchschnittsverbrauch (kWh) vor der Dämmung, Gebäude III  

  Abb. 44 : Voraussichtlicher Verbrauch (kWh Erdgas) nach der Dämmung,  

  Gebäude I  

  Abb. 45 : Voraussichtlicher Verbrauch (kWh Erdgas) nach der Dämmung,  

  Gebäude III  

  Abb. 46 : Heizenergieverbrauch der jeweiligen Monate  

  Abb. 47 : Voraussichtlicher Verbrauch (kWh) nach der Dämmung, Gebäude I  

  Abb. 48 : Verbrauch (kWh) nach der Dämmung, Gebäude II  

  Abb. 49 : Voraussichtl. Durchschnittsverbrauch (kWh) nach der Dämmung,  

  Gebäude III  

  Abb. 50 : Darstellung des Verbrauchs (kWh) vorher/nachher  

  Abb. 51 : Bereinigte Darstellung des Verbrauchs (kWh) vorher/nachher  

  Abb. 52 : Gesamtsumme Investitionskosten Gebäude I  

  Abb. 53 : Gesamtsumme Investitionskosten Gebäude II  

  Abb. 54 : Gesamtsumme Investitionskosten Gebäude III  

  Abb. 55 : Preisentwicklung je Cent pro kWh Erdgas der vergangenen Jahre  

  Abb. 56 : Voraussichtliche Preisentwicklung für Gas je Cent pro kWh  

  Abb. 57 : Einsparung in Gebäude I  

  Abb. 58 : Einsparung in Gebäude II  

  Abb. 59 : Einsparung in Gebäude III  

  Abb. 60 : Kosten-Nutzen Verlauf von Gebäude I  

  Abb. 61 : Erträge durch die Kerndämmung bei dem Gebäude I  

  Abb. 62 : Kosten-Nutzen Verlauf von Gebäude II  

  Abb. 63 : Erträge durch die Kerndämmung von Gebäude II  

  Abb. 64 : Kosten-Nutzen Verlauf von Gebäude III  

  Abb. 65 : Erträge durch die Kerndämmung von Gebäude III  

  Abb. 66 : Preis der eingesparten Kilowattstunde Energie von Gebäude I  

  Abb. 67 : Preis der eingesparten Kilowattstunde Energie von Gebäude II  

  Abb. 68 : Preis der eingesparten Kilowattstunde Energie von Gebäude III  

  Abb. 69 : Amortisation der Kerndämmungs-Maßnahme von Gebäude I  

  Abb. 70 : Graphische Darstellung der Amortisation von Gebäude I  

  Abb. 71 : Amortisation der Kerndämmungs-Maßnahme bei dem Gebäude II  

  Abb. 72 : Graphische Darstellung der Amortisation bei Gebäude II  

  Abb. 73 : Amortisation der Kerndämmungs-Maßnahme bei dem Gebäude III  

  Abb. 74 : Graphische Darstellung des Amortisation bei Gebäude III  

  Abb. 75 : Endkapital bei Festgeldanlage der Sanierungskosten bei dem  

  Gebäude I  

  Abb. 76 : Endkapital bei Festgeldanlage der Sanierungskosten bei dem  

  Gebäude II  

  Abbildungs- und Tabellenverzeichnis  VII

  Abb. 77 : Endkapital bei Festgeldanlage der Sanierungskosten bei dem  

  Gebäude III  100

Abkürzungsverzeichnis VIII

Abkürzungsverzeichnis

Abb. Abbildung Bsp. Beispiel bzw. beziehungsweise d. h. das heißt EFH Einfamilienhaus EnEV Energieeinsparverordnung evtl. eventuell ggf. gegebenenfalls i. d. R. in der Regel KS Kalksandstein kWh Kilowattstunde o. g. oben genannten p. a. Per annum sog. so genannte Tab. Tabelle u. a. unter anderem UF Urea-Formaldehyd usw. und so weiter Vgl. Vergleich z. B. zum Beispiel

Vorwort IX

Vorwort

Die Entscheidung, mich in der vorliegenden Diplomarbeit mit der Thematik der Analyse und Bewertung von Energiebilanzen im Einfamilienhausbereich aus-einander zu setzen, basiert im Wesentlichen auf drei Gründe, die im Folgenden erörtert werden:

Im Praxissemester hatte ich die Möglichkeit mich mit der nachträglichen Wärmedämmung von zweischaligem Mauerwerk durch Aminoplastortschaum im Einfamilienhausbereich auseinander zu setzen. Dort war ich an der nachträglichen Wärmedämmung von mehr als 20 Objekten beteiligt. Insofern begründet sich die Auswahl der Themenstellung in der theoretischen Erweiterung der bereits im Praxissemester erworbenen Erkenntnisse.

Folgerichtig geht es in der vorliegenden Arbeit um einen empirisch orientierten Hintergrund. Es ist im Zusammenhang mit der Wärmedämmmaßnahme primär, dass ein „wirtschaftliches Ergebnis“ der Objekte erzielt wird. Unter einem wirtschaftlichen Ergebnis versteht sich eine lohnende Energieersparnis, die sich aus den geringeren Geldausgaben des jeweiligen Eigentümers definiert. Daraus resultiert die ökonomische Perspektive der angesprochenen Sanierungsmaßnahme, die den ausschlaggebenden Grund zur theoretischen Auseinandersetzung mit der genannten Thematik darstellt.

Ein letzter zentraler Beweggrund, die genannte Thematik näher zu betrachten, ist der, dass ich im Anschluss des Studiengangs Wirtschaftsingenieurwesen-Bauwirtschaft, den Ergänzungsstudiengang Facility-Management und Immobilienwirtschaft anstrebe, zu studieren. Immobilienwirtschaft und Facility Management sind integrative Disziplinen, die der Wertschöpfung im Bereich der Immobilien - von ihrer ersten Idee, über die Entwicklung, Erstellung, Nutzung und Betrieb - bis zu ihrer Umwidmung dienen. Daher tendiere ich zu einer Themenstellung aus der Bauwirtschaft, die sowohl die energiesparende Nutzung einer Immobilie als auch das energieeffiziente Bauwesen selbst berührt

1. Einleitung 1

Analyse und Bewertung von Energiebilanzen vorhandener,

nachträglich wärmegedämmter Bauobjekte

1. Einleitung

1.1 Aufgabenstellung

Mit dem Beginn der Ölkrise von 1973 kam erstmalig einer breiten Öffentlichkeit der Bundesrepublik Deutschland das Bewusstsein für die Notwendigkeit zur Energieeinsparung auf. Durch die daraufhin erfolgte Drosselung der Erdölproduktion kam es zu einer Preissteigerung pro Barrel (159 Liter) Öl von über 400%. Die direkte Reaktion in Deutschland, angesichts der Ölkrise, war, dass an vier Sonntagen im November/Dezember 1973 ein Fahrverbot verhängt und neue Geschwindigkeitsbegrenzungen eingeführt wurden. Schließlich war die Ölkrise ein entscheidender Faktor, dass Gesetz zur Einsparung von Energien in Gebäuden (Energieeinspargesetz) vom 22.7.1976 zu verabschieden. Im weiteren Verlauf der Jahre wurde dieses Gesetzt verändert und ergänzt. Demzufolge bildete dieses Gesetz die Grundlage für die Heizkostenverordnung vom 28.2.1981 und der Heizungsanlagenverordnung vom 20.1.1989. Ein weiterer Meilenstein war die Verordnung über einen energiesparenden Wärmeschutz bei Gebäuden (Wärmeschutzverordnung), welche am 16.8.1994 verabschiedet und am 1.1.1995 in Kraft trat. Erstmalig wurden in dieser Verordnung Anforderungen an die Dichtheit eines Gebäudes gestellt. 1

¹ Vgl. Fischer/Hopfensperger/Pably/Schneiderhan, Energieausweis u. neue EnEV, 2007, S.12

1. Einleitung 2

Im Zuge der dynamischen rechtspolitischen Entwicklung wurde 1997 das sogenannte Kyoto-Protokoll verabschiedet. Die daraus resultierenden globalen Forderungen nach einer nachweisbaren Reduktion des CO2- Ausstoßes haben die Aufmerksamkeit auf die Notwendigkeit der Energieeinsparung in allen Bereichen gelenkt. Angesichts der Tatsache, dass etwa 41% des Primärenergieverbrauchs ² in Gebäuden auftritt, wird die Bedeutung der Energieeffizienz ³ von Gebäuden offenkundig. 4

Aus dieser politischen Entwicklung, gekoppelt mit den Vorgaben, die es zu erfüllen gilt und im Zusammenhang mit den steigenden Energiekosten für die Verbraucher, ergibt sich insbesondere im Einfamilienhausbereich ein wachsendes Bedürfnis nach Energieeinsparungen. Dementsprechend ist es notwendig, nicht nur den Energieverbrauch einer Immobilie aufzuzeigen, sondern simultan die Entstehung dieses Verbrauchs zu analysieren. Mit einer Analyse in Form einer Energiebilanz lassen sich Sanierungsmöglichkeiten aufzeigen, um damit die Energie effizient zu nutzen, Kosten einzusparen und ein behagliches ⁵ Wohnklima zu schaffen.

Aus der im Vorfeld aufgezeigten u. a. politischen Entwicklung ergibt sich die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit. Denn in Zukunft wird das Thema „Energieeinsparung“ zunehmend an Bedeutung gewinnen, da sich ein stetig steigender Energiepreis abzeichnet.

1.2 Zielsetzung

Angesichts der Bedeutung des Themas „Energieeffiziente Gebäude“, dass durch die Vorgaben der Energieeinsparverordnung 2007 wie beispielsweise die Einführung der Energieausweise für Bestandsgebäude untermauert wird, ist in den letzten Jahren ein enormer Markt bezüglich der nachträglichen Wärmedämmung von Bestandsgebäude entstanden. Begriffe wie Wärmedämmver-

² AlsPrimärenergie bezeichnet man in der Energiewirtschaft die Energie, die mit den natürlich vorkommenden Energieformen oder Energiequellen zur Verfügung steht, wie etwa als Rohöl, Gas oder Wind (Vgl. Königstein, Ratgeber für energieeffiziente Gebäude, 2007, S. 92).

³ Aus dem Lateinischen kommend (efficere = bewirken). „Energieeffiziente Gebäude sind Gebäude, die zur Erfüllung ihrer Nutzenbedingungen einen möglichst geringen Energiebedarf aufweisen“ (Hirschberg, Energieeffiziente Gebäude, 2008, S. 12).

⁴ Vgl. Hirschberg, Energieeffiziente Gebäude, 2008, S.11

⁵ Im Volksmund versteht man unter Behaglichkeit gemütliche und angenehme Atmosphäre, häusliche Annehmlichkeit. Diese lässt sich in baulicher Hinsicht nur dann erzielen, wenn die Außenbauteile in jeder Beziehung optimalen Forderungen entsprechen (vgl. Heck, Energie- kosten senken, 2007, S.13).

1. Einleitung 3

bundsysteme oder Kerndämmung haben sich zunehmend in das Bewusstsein der Bevölkerung eingefügt. Das zeigt sich u. a. daran, dass mittlerweile eine Vielzahl an Unternehmen diese Arten der Dämmungsmaßnahmen anbieten. Allerdings beschränken sich zahlreiche Unternehmen auf die Kerndämmung mit dem sog. UF-Ortschaum, der auch als Dämmstoff unter Aminoplastortschaum bekannt ist. Angesichts der in der Unternehmenspraxis häufig angewandten Sanierungsmaßnahme gilt es, diesen Dämmstoff in Verbindung mit der Dämmmaßnahme genauer zu betrachten.

In den Werbeunterlagen dieser Unternehmen wird eine Energieeinsparung von bis zu 30% postuliert. Daraus lässt sich die primäre Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ableiten, die sich auf die Verdeutlichung der tatsächlich eingesparten Energie durch die nachträgliche Wärmedämmung mit Aminoplastortschaum bezieht.

Es wird daher mit der vorliegenden Arbeit anhand des Gasverbrauchs von drei Untersuchungsobjekten, die nachträglich mit Aminoplastortschaum gedämmt wurden, eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung angeführt. Allerdings ist die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung nicht als Maßstab für jedes Gebäude anzusehen, da Gebäude immer individuellen Faktoren wie Konstruktion, Nutzung, Nutzeranzahl, usw. ausgesetzt sind. Zudem ist die Betrachtung auf eine gewisse Dauer beschränkt und unterliegt verschiedenen Einflussgrößen wie z. B. dem Klima. Eine Energieeinsparung kann sich daher erst zu einem späteren Zeitpunkt bemerkbar machen. Demzufolge kann diese Ausarbeitung nicht als Richtwert für die Nutzer dieser Dämmungsmethode sondern nur als Anhaltspunkt dienen.

1.3 Gang der Arbeit

Im zweiten Kapitel erfolgt zunächst eine kurze Vorstellung der vorhandenen drei Bauobjekte, auf die sich diese Ausarbeitung stützt. Zum besseren Verständnis der vorliegenden Arbeit sind zunächst im dritten Kapitel die bauphysikalischen Grundlagen, die für die Bewertung des Energieverbrauchs von entscheidender Bedeutung sind, näher zu betrachten. Im Bereich des Energieverbrauchs sowie bei Sanierungsmaßnahmen enthält die Energieeinsparverordnung 2007 bestimmte Vorgaben, die es einzuhalten gilt. Die Richtlinien, die u. a. für verschiedene nachträglich durchgeführte Sanierungsmaßnahmen von Gebäudehüllen gelten, werden im vierten Kapitel beschrieben.

1. Einleitung 4

Nachdem das zweite Kapitel eine kurze Vorstellung der Gebäude zeigt, werden die Gebäude im fünften Kapitel genauer analysiert. Es werden die einzelnen Konstruktionsdetails der Gebäudehülle aufgezeigt, da die Konstruktion eines Gebäudes ein wesentlicher Einflussfaktor im Sinne des Energieverbrauches darstellt. Generell besteht die Gebäudehülle aus den Bauteilen Außenwand, Fenster, Dach und Decken.

Das sechste Kapitel beinhaltet verschiedene energieeffiziente Sanierungsmaßnahmen, wobei dezidiert auf die Kerndämmung mit dem Dämmstoff Ami-noplastortschaum als Dämmungsmaßnahme von Außenwänden eingegangen wird. Dieses Kapitel enthält zudem eine Vorstellung von anderen gängigen Dämmungsmaßnahmen der Außenwand als Teil der Gebäudehülle mit dem entsprechenden Mauerwerksaufbau. Abschließend werden die einzelnen möglichen Dämmungsarten miteinander verglichen, um jeweils ihrer Anwendung und deren Vor- und Nachteile zu verdeutlichen.

Im siebten Kapitel beginnt die wissenschaftliche Ausarbeitung als solche. Es werden die Energiebilanzen der vorhandenen Gebäude erstellt und analysiert. Dieses Kapitel legt den Grundstein für die wirtschaftliche Betrachtung des achten Kapitels. Bereits aus dem siebten Kapitel lässt sich in Affinität zum achten Kapitel eine Stoßrichtung ableiten, die im Kontext der Ergebnisse der Wirtschaftlichkeit relevant sind.

Im achten Kapitel erfolgt unter der Berücksichtigung von vorhandenen, errechneten Ergebnissen die wirtschaftliche Analyse der im Vorfeld prozentual be- stimmten eingesparten Energie.

2. Vorstellung der Untersuchungsobjekte (3 EFH) 5

2. Vorstellung der Untersuchungsobjekte (3 EFH)

2.1 Gebäude I

Abb. 1: Vorstellung Gebäude I

Quelle: Eigene Darstellung

2.2 Gebäude II

Abb. 2: Vorstellung Gebäude II

Quelle: Eigene Darstellung

2. Vorstellung der Untersuchungsobjekte (3 EFH) 6

2.3 Gebäude III

Abb. 3: Vorstellung Gebäude III

Quelle: Eigene Darstellung

2.4 Allgemeines

Aus den vorangegangenen Abbildungen werden die Gemeinsamkeiten der Gebäude deutlich. Zum einen Verfügen alle Gebäude über eine Gaszentralheizung und zum anderen sind die Fenster bei allen Gebäuden Thermopenfenster, zweifach verglast.

Festzustellen ist, dass die Bauobjekte (Gebäude I und Gebäude III) jeweils in den 50er Jahren erbaut sind. Das Gebäude II dagegen ist in den 90er Jahren erbaut worden. Aufgrund der verschiedenen Baujahre der Untersuchungsobjekte zeigen sich dementsprechend im Bereich der Gebäudehülle Abweichungen.

Die Unterschiede der Gebäudehüllen durch die unterschiedlichen Baujahre der Gebäude zeigt das fünfte Kapitel auf.

3. Bauphysikalische Grundlagen zur Bewertung des Energieverbrauchs der (3 EFH) 7

3. Bauphysikalische Grundlagen zur Bewertung des

Energieverbrauchs der Untersuchungsobjekte (3

EFH)

Zum besseren Verständnis der Ausarbeitung werden im Kontext der Themenstellung zunächst die Wesentlichen bauphysikalischen Grundlagen aufgezeigt. Die folgenden Begrifflichkeiten bilden zentrale Aspekte zur Bewertung des Energieverbrauchs, die im weiteren Verlauf der Themenbearbeitung unter speziellen Gesichtspunkten erneut aufgegriffen und thematisiert werden.

3.1 Leistung, Verbrauch und Temperatur

Die Leistung gibt an, welche Energiemenge augenblicklich benötigt wird. Das Maß der Leistung ist die Einheit Watt [W] oder Kilowatt [kW]. Der Verbrauch dagegen gibt an, wie lange Leistung bezogen worden ist. Das Maß des Verbrauchs ist die Einheit Wattsekunde [Ws].

Temperaturen werden in den Einheiten Grad Celsius [°C] oder in Kelvin [K] gemessen. In der Physik werden die Temperaturen in Grad Celsius [°C], die Temperaturdifferenzen aber in Kelvin [K] angegeben. Beispielsweise wird die Lufttemperatur im Raum mit +20°C und die Lufttemperatur außen mit -10°C angegeben, während die Temperaturdifferenz zwischen innen und außen 30 K beträgt. 6

3.2 Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit [λ = W/(m·K)] ist eine Stoffgröße, die beschreibt, wie viel Energie durch ein Material hindurchgeht. Sie gibt an, welche Wärmemenge (Ws) in einer Sekunde durch 1m ² einer 1m dicken Schicht eines Stoffes bei einem Temperaturunterschied von 1 K an den beiden Enden (dadurch entsteht der Wärmestrom) durchströmt. Die Einheit des Wärmestroms ist Joule pro Se-kunde bzw. Watt [1 J/s = 1 W]. Somit ergibt sich die Einheit der Wärmeleitfähigkeit zu J/(sm·K), beziehungsweise üblicherweise zu W/(m·K) und wird mit dem griechischen Buchstaben λ, für Klein Lambda, bezeichnet.

⁶ Vgl. Königstein, Ratgeber energiesparendes Bauen, 2007, S. 14

3. Bauphysikalische Grundlagen zur Bewertung des Energieverbrauchs der (3 EFH) 8

Je weniger Wärme durch ein Stoff strömt, je schlechter also die Wärmeleitfähigkeit, desto kleiner ist die Zahl. Fachleute bezeichnen den Wert heute mit „Bemessungswert“ der Wärmeleitfähigkeit. Dieser Wert ist für die Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten einzusetzen. ⁷ Es gilt zu erwähnen, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist. Daraus ergibt sich, dass das λ auch von der Rohdichte ⁸ abhängt. Je leichter ein Stoff, desto mehr Luft ist eingeschlossen und umso kleiner wird λ, was bei Dämmstoffen der Fall ist. Die Wärmeleitfähigkeit hingegen erhöht sich mit zunehmendem Feuchtigkeitsgehalt, weil Wasser Wärme gut leitet. Es gilt also, dass, je kleiner oder niedriger λ ist, desto besser oder höher ist die Dämmwirkung, umso besser ist der Wärmeschutz. 9

Quelle: Eigene Darstellung

Aus der Abbildung vier wird deutlich, dass die Wärmeleitfähigkeit von Ami-noplastortschaum der Marke im direkten Vergleich

zu Luft größer ist. Allerdings ist der Wärmeleitfähigkeit der Luft von 0,02454 W/(m·K) unter bestimmten Bedingungen errechnet worden, die in einer zweischalgien Mauerwerkskonstruktion nicht zutreffen. Daher ist dieser Wärmeleitwert der Luft nicht als Vergleichsgröße anzusetzen. Dementsprechend liefert die Folgende Abbildung fünf den Lösungsansatz, um die Wärmeleitfähigkeit der Luft in einer zweischaligen Mauerwerkskonstruktion zu bestimmen:

⁷ Siehe dazu Abschnitt 3.4, Wärmedurchgang, Wärmedurchgangswiderstand und Wärmedurchgangskoeffizient, S. 11

⁸ Gemessen in ρ [kg/m ³ ], je weniger Luft eingeschlossen ist, desto höher ist die Rohdichte, umso höher ist die Wärmeleitfähigkeit λ und damit verbunden eine schlechtere Wärmedämmung (vgl. Königstein, Ratgeber energiesparendes Bauen, 2007, S. 19).

⁹ Vgl. Königstein, Ratgeber energiesparendes Bauen, 2007, S. 15

¹⁰ Vgl. Stöcker, Taschenbuch der Physik, 1998, S. 724

¹¹ Der Rechenwert für beträgt 0,04 W(/m·K), der Laborwert

beträgt 0,033 W/(m·K) (siehe auch dazu Anlage 1, Technisches Datenblatt, S. 102).

3. Bauphysikalische Grundlagen zur Bewertung des Energieverbrauchs der (3 EFH) 9

Abb. 5: Bemessungswerte der Wärmedurchlasswiderstände R von Luftschichten 1) nach DIN 4108 Teil 4

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an Schneider, Bautabellen für Ingenieure, 1998, S. 10.26

Die Formel für den Wärmedurchlasswiderstand R lautet:

Demnach kann durch Umstellung der Formel für den Wärmedurchlasswider-stand die Wärmeleitfähigkeit der Luft [λ = W/(m·K)] in einem zweischaligem Mauerwerk bestimmt werden.

Aus den oben zu ersehenden Berechnungen wird deutlich, dass die Wärmeleitfähigkeit von Aminoplastortschaum im direkten Vergleich zur Luft in der Mauerwerkskonstruktion fast zehnmal geringer ist. Die logische Konsequenz ist daher, die vorhandene Luftschicht von zweischaligem Mauerwerk mit dem Dämmstoff Aminoplastortschaum zu füllen, um einen besseren Wärmeschutz zu erzielen.

3. Bauphysikalische Grundlagen zur Bewertung des Energieverbrauchs der (3 EFH) 10

Aus der folgende Abbildung wird ersichtlich, dass für den gleichen Wärmeschutz [hier U-Wert von 0,25 W/(m ² ·K)] je nach Stoff und λ die Dicke (in Meter) sehr unterschiedlich ausfällt.

Abb. 6: Bau und Wärmedämmstoffe im direkten Vergleich

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an Königstein, Ratgeber energiesparendes Bauen, 2007, S. 15

3.3 Wärmedurchlasszahl, Wärmedurchlasswiderstand und

Wärmedurchlasskoeffizient

Die Wärmedurchlasszahl [Ʌ in W/(m ² ·K)] ist der Wärmestrom W, der in einer Stunde durch eine 1 m ² große Wandfläche, bestehend aus einer oder mehrerer Schichten unterschiedlicher Baustoffe, fließt, wenn das Temperaturgefälle in Richtung Wärmestrom 1K beträgt. Die Wärmedurchlasszahl ergibt sich durch die Wärmeleitfähigkeit, dividiert durch die Dicke der betreffenden Schicht in Meter. Die Summe aller Einzelwerte ergibt die Wärmedurchlasszahl [Ʌ = λ 1 /S 1 +λ 2 /S 2 +….λ n /S n ].

3. Bauphysikalische Grundlagen zur Bewertung des Energieverbrauchs der (3 EFH) 11

Der Kehrwert der Wärmedurchlasszahl Ʌ, für Groß Lambda, ergibt den Wider-stand R einer Schicht gegen das Durchströmen von Wärme. Bei mehrschichtigen Bauteilen ist für jede Schicht nach diesem Rechenverfahren der Einzelwert festzustellen. Die Summe aller Einzelwerte ergibt dann den Wärmedurchlass-widerstand beziehungsweise Wärmedämmwert für das gesamte Bauteil [R = 1/Ʌ = S 1 /λ 1 + S 2 /λ 2 +…S n /λ n = (m ² ·K)/W]. Je größer 1/Ʌ, desto besser die Wärmedämmung ¹² .

Der Wärmedurchlasskoeffizient gibt an, welche Wärmemenge (Ws) im Behar-rungszustand (bei Dauerbeheizung) in einer Sekunde (1s) durch 1m ² eines Bauteils mit einer Schichtdicke (s in Meter) durchgelassen wird, wenn die Temperaturdifferenz beider Bauteiloberflächen 1 Kelvin (1K=1°C) beträgt. Der Kehrwert des Wärmedurchlasswiderstandes ist der Wärmedurchlasskoeffizienten [Ʌ/1 = λ 1 /S 1 + λ 2 /S 2 +…λ n /S n = W(m ² ·K)].

3.4 Wärmedurchgang, Wärmedurchgangswiderstand und

Wärmedurchgangskoeffizient

Als Wärmedurchgang wird eine Energieübertragung bezeichnet, die entsteht, wenn Flüssigkeiten oder Gase mit unterschiedlicher Temperatur durch eine feste Wand voneinander getrennt sind. Der Wärmedurchgang im Gebäudebereich findet beispielsweise durch die Außenwand oder das Fenster vom warmen oder beheizten Innenraum zur kalten Außenluft statt. ¹³ Energie fließt immer von der höheren zur niedrigeren Temperaturseite und niemals Kälte zur warmen Seite. 14

Der Wärmedurchgangswiderstand [R T = 1/ U] eines Bauteils (ein- oder mehrschichtig) zuzüglich der Wärmeübergangswiderstände 1/α i und 1/α a ergibt den Wärmedurchgangswiderstand [1/U= 1/α i + 1/Ʌ+1/α a = (m ² ·K)/W]. Je größer 1/U desto besser die Wärmedämmung.

Der Wärmedurchgangskoeffizient, im Folgenden auch U-Wert genannt, dient als Messgröße des Wärmedurchgangs durch jedes Bauteil. Als U-Wert wird der Wärmestrom W bezeichnet, der durch eine Bauteilfläche von 1m ² in einer Stun-

¹² Wärmedämmungbezeichnet den Widerstand eines Bauteils gegen den Wärmedurchgang durch Wämeleitung bei einer Temperaturdifferenz innen/außen. (vgl.Riedel/Oberhaus/ Frössel/Haegele, Wärmedämmverbundsysteme, 2007, S. 38).

¹³ Vgl. Königstein, Ratgeber energiesparendes Bauen, 2007, S. 14-16

¹⁴ Königstein, Ratgeber energiesparendes Bauen, 2007, S. 16

3. Bauphysikalische Grundlagen zur Bewertung des Energieverbrauchs der (3 EFH) 12

de hindurchgeht, wenn der Temperaturunterschied, der das Bauteil auf beiden Seiten umgebenen Luft, 1 K beträgt. Der Wärmedurchgangskoeffizient ist der Kehrwert des Wärmedurchgangswiderstandes (U-Wert = 1/[(1/α i )+ (1/Ʌ)+(1/α a )] = W/(m ² ·K)). Es gilt, je kleiner der U-Wert, desto besser die Wärmedämmung. 15

Der Wärmdurchgangskoeffizient lässt sich berechnen, indem man die Wärmeleitfähigkeit eines Baustoffes durch seine Dicke in [m] dividiert und anschließend den Kehrwert des Ergebnisses bildet. 16

3.5 Wasserdampfdiffusionswiderstand

Der Wasserdampfdiffusionswiderstand ist der Widerstand, welcher ein Bauteil in Abhängigkeit vom Material und seiner Schichtdicke dem Wasserdampftrans-port entgegensetzt. Dieser Widerstand wird durch die Zahl µ (sprich: mü) gekennzeichnet. Der Wasserdampfdiffusionswiderstand gibt an, wie dicht ein Material für Dampf ist und bezieht sich auf den Widerstand von Luft. Je größer die Zahl µ ist, desto dichter ist ein Material. Beispielsweise hat Holz ein µ von 40, ist also 40mal so dicht wie Luft. ¹⁷ Der Aminoplastortschaum der Marke Dämmschaum AT hat ein µ-Wert von 2,4. ¹⁸ Im Bereich der Dämmstoffe ist ein hoher µ-Wert nicht von Vorteil, da damit ein schlechter Wasserdampftransport ver-bunden wird. Gerade bei Dämmstoffen ist es wichtig, Wasserdampft nach außen zu transportieren, damit Schimmelbildung vermieden wird. 19

3.6 Bewertung

Verstärkte Bemühungen beim Wärmeschutz von Gebäuden im Bereich der Energieeinsparung und beim Klimaschutz führten in den letzten Jahrzehnten zu einer stärkeren Einbeziehung bauphysikalischer Überlegungen in die Gebäudeplanung. Heute sind bauphysikalische Kenntnisse bei Entwurf, Planung, praktischer Ausführung und Nutzung von Bauwerken unerlässlich. Denn für die Sicherung der Funktionen und den Erhalt eines Gebäudes muss das Raumklima behaglich und auf seine Nutzer abgestimmt sein, Feuchtschäden vermieden und das Außenklima berücksichtigt werden. Notwendig ist auch der intelligente

¹⁵ Vgl. Heck, Energiekosten senken, 2007, S. 17

¹⁶ Vgl. Königstein, Ratgeber energiesparendes Bauen, 2007, S. 16

¹⁷ Vgl. Königstein, Ratgeber energiesparendes Bauen, 2007, S. 18

¹⁸ Siehe dazu Anlage 1, Technisches Datenblatt, S. 102

¹⁹ Vgl. Königstien, Ratgeber energiesparendes Bauen, 2007, S. 60-61

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Einsatz bauphysikalischer, baustofflicher, baukonstruktiver, anlagentechnischer und gestalterischer Mittel.

Mithilfe der Bauphysik lassen sich nachhaltige Gebäude entwickeln, die eine hohe thermische Behaglichkeit und einen niedrigen Energiebedarf aufweisen, sowie die bei Bedarf zugeführte Restenergiemenge effizient nutzen. Neben der Vermeidung jeglicher Kondensations- und Schimmelpilzprobleme verfügen sie außerdem über eine gute Versorgung mit Tageslicht und eine gute Raumakustik. Die dazu notwendigen Baustoffe und Konstruktionen werden in der Bauphysik besonders bezüglich der Durchlässigkeit von Wärme (Wärmeleitung, Wärmestrahlung, Wärmedämmung, Wärmeschutz), Feuchtigkeit (Wasserdampfgehalt, Feuchttransport, Kondensation von Wasser, Schimmelbildung in Wohnungen), Akustik und Luft untersucht.

Der wesentliche Grund, dass die zu untersuchenden Objekte dieser Ausarbeitung nachträglich gedämmt wurden, ist eine Wärmeschutzverbesserung, die eine Energieeinsparung zum Ziel hat.

Im Wesentlichen wird der Wärmeschutz eines Gebäudes oder Gebäudeteils von den Faktoren:

• Größe der wärmeübertragenden Außenflächen

• Wärmedurchgangswiderstand und Wärmeleitfähigkeit der Außenbauteile

• Größe der Fenster und Glasflächen

• Anordnung der einzelnen Schichten der Außenbauteile bei mehrschichtigem Aufbau

• Orientierung der einzelnen Außenbauteile, insbesondere der Fenster mit Berücksichtigung von Sonnenschutzmaßnahmen (solare Wärmegewinne)

• Luftdurchlässigkeit von Bauteilen

• Lüftung

beeinflusst. 20

²⁰ Vgl. Lotz/Hammacher, Schimmelschäden vermeiden, 2004, S. 9

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Abb. 7: Wärmedurchgang, Wärmedurchlass und Wärmeübergang

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an Lübbe, Prüfungsfragen und Antworten zur Bauphysik, 1997, S.19.

Je größer der Wärmedurchlasswiderstand 1/Ʌ, desto höher die Energieeinsparung. D. h. also, je kleiner der Wärmedurchlasskoeffizient, desto höher ist die Energieeinsparung. Der Wärmedurchlasskoeffizient ist theoretisch der Wärmeleitwert bei 1 Meter Schichtdicke. Der Wärmedurchlasskoeffizient ist gleich der Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert), wenn die Wärmeübergangskoeffizienten vernachlässigt werden. Die Wärmeübergangskoeffizienten sind zusätzliche Faktoren, die Energie einsparen. Bei Vernachlässigung der Wärmeübergangskoeffizienten zur U-Wert-Berechnung liegt man mit dem errechneten U-Wert deshalb immer auf der sicheren Seite.

Der gängigste Begriff in der energieeffizienten Gebäudeplanung ist der U-Wert. Dieser Wert wird meistens von den Herstellern vorgegeben und muss also nicht mehr bestimmt werden. Falls der Wärmedurchgangskoeffizient für ein Bauteil nicht definiert ist, bedient man sich der anderen Größen wie beispielsweise den Wärmeleitwert, um diesen U-Wert zu bestimmen.

Der U-Wert verschiedener Bauteilschichten kann bekanntermaßen gleich sein. Somit greifen die Bezugsgrößen wie beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit oder der Wärmedurchlass, um ein Bauteil zu bewerten.

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Der Wärmedurchgangskoeffizient berücksichtigt die verschiedenen Bauteilschichten einer Konstruktion mit einem rechnerischen Gesamtwert. Der Wärmleitwert hingegen berücksichtigt immer nur eine und zwar die zu untersuchende Bauteilschicht.

Die eingangs bauphysikalisch genannten Grundlagen werden u. a. angewendet, um die einzelnen Schichten eines Mauerwerksaufbaus, hinsichtlich des Energieverbrauchs (U-Wert) zu analysieren und zu bewerten.

Im anstehenden Kapitel werden die Vorgaben der Energieeinsparverordnung 2007 der bauphysikalischen Grundlagen verdeutlicht, die es einzuhalten gilt. Damit die Gebäude im Bestand ein gewisses Niveau aufweisen wie beispielsweise Neubau-Niveau, gilt es, bestimmte Vorgaben der Energieeinsparverord- nung 2007 bei Sanierungsmaßnahmen zu erfüllen.