In Anbetracht des Klimawandels und den Energieressourcen ist ein umweltbewusstes Handeln immer wichtiger. Da wichtige Energieressourcen wie Erdöl in Zukunft immer weniger vorhanden sein werden, sind subtile Maßnahmen zu ergreifen damit uns die Energie lange erhalten bleibt. Atomkraftwerke sollen in Zukunft immer weniger eingesetzt werden, weil durch die Spaltung der Atomkerne umweltschädliche Strahlungen freigesetzt werden.
Das Thema der Thesis wird sich lediglich auf eine Maßnahme von vielen beziehen. Wem also wichtig ist, einen Beitrag zur Schonung der Umwelt zu leisten, könnte mit diesen Informationen schon mal einiges Anfangen.
Einleitung
Die ersten Anfänge von Außenwanddämmungen durch auf die Wand geklebte Dämmstoffplatten mit einem bestimmten Deck-Putz und darin eingelegtem Fasergewebe liegen Ende der 50er Jahre.1 Zuerst kam der Einsatz der Wärmedämmverbundsysteme im Behälter- und Industriebau.
Nach der Ölkrise im Jahre 1973 fand dieses – anfangs und zum Teil auch heute noch als Thermohaut bezeichnete – System verstärktes Interesse für die Dämmung der Außenbauteile und wurde zunehmend auch im Wohnungsbau eingesetzt. In Anbetracht der Tatsache, dass damals die Befürchtung zu erkennen war, die Rohstoffvorräte zu verlieren und somit auch die drohende Erschöpfung der Energiequellen, hat in den letzten Jahren das Wissen um den Treibhauseffekt durch CO2-Emmision die Notwendigkeit der Energieeinsparung noch deutlicher gemacht.
Nach dem heutigen Erkenntnisstand wird rund 40% des Gesamten Energieverbrauchs lediglich für das Heizen benötigt. Alte freistehende Bauten der 60er Jahre verbrauchen etwa 90% der insgesamt erforderlichen Energie für Raumwärme. Um ein Bild von Haushalten zu gewährleisten sind folgende Daten nicht außeracht zulassen: 76% der Verbrauchanteile wird der Raumwärme zugeschrieben, Warmwasser 11%, Kraft 8%, Kochen 3% und Beleuchtung lediglich 2%.
Es wird also deutlich, dass insbesondere beim Wohnungsbau extremer Einsparungspotential vorhanden ist.
Zur Praxisbewährung liegen mehre Untersuchungen vor, die sich jedoch fast ausschließlich auf Standzeiten von maximal 12-15 Jahren beziehen. Eine Analyse von Wärmedämmverbundsystemen mit 20 Jahren Lebens- bzw. Nutzungsdauer gibt es bislang nicht.
Zielsetzung
Ziel dieser Thesis soll also sein, Wärmedämmverbundsysteme im Detail zu analysieren und die Effizienz zu manifestieren. Auf Basis eines Vorgegeben Wärmedämmsystems einer Firma, wird aufgezeigt ob Verbesserungsbedarf vorliegt.
Vorgehensweise
Eine Literaturrecherche und Auswertung nicht nur zu Beginn der Bearbeitung sondern kontinuierlich parallel zur Arbeit war unerlässlich, um Erkenntnisse stets mit aktuellem Stand erbringen zu können. Zunächst werden die wichtigsten Komponenten erklärt, die in der Thesis Anwendung finden. Es werden verschiedene Arten von WDVS aufgezeigt und mit Hilfe der Mathematik auf die Effizienz geprüft.
Außenwände haben essentielle Funktion und unterliegen zum einen statischen und zum anderen bauphysikalischen Anforderungen. Sie müssen also in der Lage sein die äußeren Witterungseinflüsse nicht in das Innere eindringen zulassen. Außerdem sollten Außenwände in der Lage sein Schall-, Brand-, und auch Feuchtigkeitsschutz zu gewährleisten. Da natürlich auch die Einwohner vor bspw.
Einbrüchen geschützt werden müssen, sollten Wände dementsprechend massiv konstruiert werden, um als statisch subtil zu gelten.
„Die Wärmedämmung der Außenwand soll – neben der Einsparung von Energie – den Bewohnern ein angenehmes Raumklima sichern und sie so vor den wechselnden klimatischen Einflüssen der unterschiedlichen Jahreszeiten schützen. Während bei einschaligen Wänden die tragende Konstruktion, in der Regel beidseitig verputzt, sämtlichen Anforderungen genügen muss, werden bei mehrschaligen Wänden spezielle Aufgaben auf verschiedene Schichten des Wandaufbaus verteilt.“2 Außerdem werden Außenwände so konstruiert, dass sie als Winddicht gelten.
Das bedeutet, dass Maßnahmen getroffen werden, welche die Durchströmung eines Bauteils durch Wind verhindern. Damit soll eine Abkühlung des Bauteils verhindert werden und zugleich auch ein möglicher Schadstoffeintrag in das Bauteil. Die dabei eingesetzten Maßnahmen gehen von der äußeren kalten Seite vonstatten. Im Allgemeinen wird im Massivbau die Winddichte durch speziellen Außenputz gewährleistet.
Natürlich sollte darauf geachtet werden, dass keine Sparren durchdringen, damit keine unnötigen Fugenbildungen entstehen.
Eigenschaften
„Alle Wände müssen die für ihre Standsicherheit und Belastung notwendige Dicke, Festigkeit und Aussteifung haben. Für die Standsicherheit ist neben der Konstruktion an dem Wandaufbau, sowie der Verbindung mit anderen Wänden und Decken, die Festigkeit der Verwendeten Baustoffe von entscheidender Bedeutung“3. Wenn Wände eine hohe Lebenserwartung haben sollen, müssen die Qualität und die Art der Ausführung gut vonstattengehen.
Eine Wärmedämmung gilt u.a. nur dann als subtil, wenn leichte und poröse Baustoffe verwendet wurden.
Wärmedämmverbundsystem
Beschreibung des WDVS
Zur Visualisierung wird zunächst ein Bild aufgezeigt, damit darauffolgend die einzelnen Komponenten definiert werden können.
Bild1 WDVS Komponenten4
Bei Wärmedämmverbundsystemen versteht man ein kombiniertes Klebe- und Putzsystem, welches zur Wärmedämmung und zur Gestaltung an Außenwänden und –decken dient.
Generell bestehen Wärmedämmverbundsysteme aus mindestens drei Komponenten:
Einem Armierungsputz mit Armierungsgewebe und
Einem Putz zum Schutz vor Witterungseinflüssen und zur Gestaltung der Oberfläche5.
Der Putz übernimmt in Verbindung mit dem Armierungsputz auch den Witterungsschutz. Das gesamte System ist fein aufeinander abgestimmt, deshalb macht sie nur als Ganzes Sinn. Das bedeutet, wenn das System verändert wird und eine Systemfremde Komponente eingeführt wird, würden zum einen die bauphysikalischen Funktionen darunter leiden und zum anderen die Lebenserwartung.
Brandschutzanforderungen
„Grundsätzlich gelten Brandschutzanforderungen für alle genehmigungspflichtigen Bauvorhaben“6. Es muss also darauf geachtet werden, dass bestimmte Bereiche einer bestimmten Baustoffklasse entsprechen müssen, sie dürfen also nicht brennbar sein. Dies ist aus dem Grund wichtig, weil diese Bereiche zu einer ständig bewohnten Fläche gehören. Das heißt also 0-22m von Fußbodenhöhe bis Geschoss über Gelände muss das Dämmsystem mindestens Baustoffklasse B1, bei Höhen über 22m insgesamt – d.h. auch in den darunterliegenden Bereichen – nicht brennbar, Baustoffklasse A sein7.
Die detaillierten Angaben zum Thema Brandschutz finden im Landesbauordnung (LBO) Anwendung.
Zulassung von Wärmedämmverbundsystemen
In diesem Abschnitt der Thesis geht es um die Frage: Wann sind Wärmedämmverbundsysteme Zugelassen und wir werden sie beurteilt?
„Die neuen Landes Bauordnungen sehen eine Prüfzeichenpflicht für Bauprodukte vor. Die nach altem Recht erteilten Allgemeinen Bauaufsichtlichen Prüfzeichen gelten nach einer Übergangsreglungen für ihre Restlaufzeit als Allgemeine Bauaufsichtliche Zulassung im Sinne von §21 MBO“8. Die Prüfzeichen haben also noch bis zum Ende Ihrer Lebensdauer ihre Wirksamkeit. Die allgemeine bauaufsichtliche Zulassung beinhaltet technische Regeln von denen nicht abzuweichen ist.
Wärmedämmverbundsysteme gehören zu den Bauprodukten die über eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung verwendbar sind.
Ablauf
Das Zulassungsverfahren zur Erteilung einer national gültigen, allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung beginnt mit der Einreichung eines entsprechenden Antrags beim DIBt. Antragsteller ist in der Regel der Hersteller eines Produkts. Das DIBt legt, bei Bedarf einer Empfehlung eines Sachverständigenausschusses folgend, die durchzuführenden Prüfungen und die zu erbringenden Nachweise fest.
Kosten
Die Kosten für die Neuerteilung einer abZ sind in der Satzung des DIBt festgelegt. Je nach Produkt bzw. Bauart und dem damit verbundenen Aufwand liegen die Gebühren für eine fünfjährige Zulassung zwischen 500 und 30.000 Euro. Wird im Antrag ein kürzerer Zeitraum der Zulassung gewünscht, reduzieren sich die Kosten um 10 % pro Jahr Verkürzung. Die Gebühren für die Verlängerung einer bestehenden Zulassung liegen im Bereich zwischen 10 % und 50 % der Kosten einer fünfjährigen Neuerteilung10.
Verarbeitung von Wärmedämmverbundsystemen
Beschreibung
Wichtig bei der Verarbeitung von WDVS ist, dass zunächst eine gründliche Untergrundprüfung durchgeführt wird. Dabei ist zum einen auf die Saugfähigkeit zu achten und zum anderen auf die Tragfähigkeit. Da generell ein Klebstoff nur dann seine volle Wirkung zeigt, wenn der Untergrund sauber, trocken und frei von Störstoffen ist, sieht es in diesem Fall nicht anders aus.
Natürlich muss nicht unbedingt als Befestigung die Variante der Beklebung ausgewählt werden, sondern je nach Zustand des Untergrundes entschieden ob geklebt, geklebt und gedübelt oder die mechanisch befestigt wird.
Wie oben angedeutet muss der Untergrund auf Tragfähigkeit und Haftung geprüft. Eine einfache Prüfung kann durch Armierungsabsätzen erfolgen. Wenn der Armierungsmörtel nach einer Weile erhärtet ist, wird eine Zug-Probe am Gewebe durchgeführt. Ist eine Ablösung im Untergrund z.B. im Altputz zu erkennen, so ist keine ausreichende Tragfähigkeit gesichert. Wird lediglich das Armierungsgewebe mit dem darüber befindlichen Armierungsputz abgelöst, so ist ausreichende Tragfähigkeit und Haftung an dieser Stelle vorhanden11.
Verarbeitungstemperaturen
Generell sind Dämmplatten kühl, trocken und UV-geschütz zu lagern. Wärmedämmverbundsysteme dürfen in der Regel nicht bei unter +5 °C verarbeitet werden. Bei Witterungseinflüssen wie Schlagregen oder Nachtfrostgefahr sind diesbezüglich Schutzmaßnahmen zu ergreifen. Grundsätzlich gelten für verschiedene Baustoffe folgende Mindesttemperaturen:
Mineralischer Kleber ïƒ +5 °C
Kunstharzputze Silikonharzputze ïƒ +5 °C
Mineralische Putze ïƒ +5 °C
Silikat-putze ïƒ +8 °C
Sockelbefestigung
Sockelschienen stellen den unteren Abschluss von WDVS dar. Ungefähr alle 30cm erfolgt die Befestigung mit Schlag- oder Schraubdübeln.
Bild 213
Bei der Montage der Sockelprofile ist ein Abstand zwischen den Sockel von 1 bis 2 mm zur Aufnahme von Temperaturdehnung einzuhalten. Um den Abstand sicherzustellen empfehlen sich Sockelprofilvorbinder. Wird kein Abstand („Verbinder“) eingehalten, können im Stoßbereich der Sockelschienen Risse im Putz entstehen.
Bild 314
Das Verkleben von Dämmplatten
Bei dem Dämmplatten werden meistens die Streifen-Randverklebung oder Punkt-Randverklebung durchgeführt. Wenn zum Beispiel der Kleber auf die Wand gespritzt wird, darf nicht zu viel Fläche vorgelegt werden, um eine Hautbildung zu vermeiden. Hier muss besonders sorgfältig gearbeitet werden. Die Platten müssen pressgestoßen werden. Die Verlegung der Dämmplatten erfolgt im Verband.
Beim Verfüllen (Schäumen, Ausstopfen) offener Plattenfugen muss systemkonformes Material verwendet werden, welches die gleichen wärme- und feuchtetechnischen Eigenschaften wir der Dämmstoff hat15. Außerdem wird bei der schlagregendichten Ausführung empfohlen, ein vorkomprimiertes Fugendichtband oder eine Anschlussleiste mit Gewebeeinbindung einzubringen. Es sollte aber darauf geachtet werden, dass das Fugendichtband entsprechend der Verarbeitungsvorschrift dich eingebaut ist und an die Platte dicht anschließt.
Mineralwolle-Lamellenplatten
Begriff:
Mineralwolle bezeichnet einen weichen Werkstoff aus künstlich hergestellten mineralischen Fasern. Je nach Ausgangsmaterial unterscheidet man Schlackenwolle, Glaswolle und Steinwolle.
Mineralwolle wird vorwiegend als nichtbrennbarer Dämmstoff für die Wärmedämmung von Häusern eingesetzt. In der Industrie wird sie insbesondere als Schall- und Brandschutz eingesetzt, z.B. zum Einhüllen von Tanks, Behältern, Heizkesseln und Turbinen. Mineralwolle wird meist als Vliesstoff hergestellt oder in stärkerer Verdichtung als Platten. Darüber hinaus wird Steinwolle auch als erdeloses Substrat zur Hydrokultur im industriellen Gemüse- und Zierpflanzenanbau eingesetzt.16
Lamellenplatten
„Lamellenplatten und Lamellenblöcke sind Hilfsmittel, durch die die Einsatzmöglichkeiten der Permanent-Magnetspannplatten erheblich erweitert werden können. Sie sind nicht magnetisch, jedoch ausgezeichnete magnetische Leiter. Die Lamellenplatten können allseitig bearbeitet und somit den Werkstückformen zur besseren Spannung angepasst werden. Die Lamellenplatten werden je nach Verfügbarkeit mit einer 6 bzw. 4 mm Polteilung (4 mm St. / 2 mm NE bzw. 3 mm St. / 1 mm NE) geliefert.“17
Bild 418
Verarbeitung
Die Verbreitung dieser platten geht nur dann souverän vonstatten, wenn eine ganzflächige Beklebung der Wann erfolgt. Bretter bieten sich in diesem Konzept als Hilfe an, die auf dem Seitenschutzgerüst aufgesetzt und befestigt werden. „Werksseitig sind gemäß Zulassung zu verkleben (genaue Flächenanteile der Verklebung beachten).“19 Bei diesem Prozess wird der Kleber gleichmäßig auf die Wand aufgetragen und parallel die vorbeschichteten Lamellen in den Kleber eingedrückt.
Tragfähiger/Nicht Tragfähiger Untergrund
Tabelle220
Kostenseite: EPS-Dämmplatten im WDVS gehören zu den kostengünstigsten Möglichkeiten der Fassadendämmung. Bei einfachen Fassaden ohne viele Kanten oder Winkel belaufen sich die Materialkosten auf 15 bis 20 Euro pro Quadratmeter. Das beinhaltet neben den Platten auch Zusatzmaterialien wie Kleber, Sockelprofile oder Fugendichtband.21
Der bauphysikalische Teil wird später behandelt, dennoch ist es wichtig anzudeuten, dass die Wärmeleitfähigkeit dieser Dämmplatten bei 0,035-0,045 W/(mK) liegen.
Der U-Wert, auch Wärmedurchgangskoeffizient genannt, liegt bei 0,15 W/m²K.
Bauphysikalische Betrachtung
Da diese Abhandlung die Bauphysik impliziert, wird im Folgenden alles Relevante diesbezüglich zusammengetragen. Zunächst werden fundamentale mathematischen Komponenten aufgezeigt und anschließend werden diese in den Berechnungen ihre Anwendung finden. Es erwarten Sie Ansätze, mit verschiedenen Informationen, darunter Begriffsdefinitionen, Konstanten und anderer nützlicher Daten.
Zielführend werden exemplarische Fälle aufgezeigt und im Kern analysiert und ggf. falsifiziert.
Es gibt drei fundamentale Arten des Wärmetransportes, dazu gehört die Wärmeleitung, Wärmestrahlung und die Konvektion.
Wärme: Wärme ist eine Form von Energie. Sie ist eine Maßeinheit, die ebenfalls eine Eigenschaft eines Körpers angibt. Wärme allerdings ist, im Gegensatz zu Temperatur, übertragbar. Die Übertragung von Wärme führt zu einer Erhöhung der Temperatur.22
Wärmeleitung
Die Prozesse der Wärmeübertragung in festen Stoffen wie bspw. Mauerwerk oder Putz gehen grundsätzlich durch Leitung vonstatten. Darunter wird im Allgemeinen die Übertragung der Wärme bzw. das Weiterleiten von Wärmeenergie innerhalb eines Körpers bzw. zwischen benachbarten Molekülen, d.h. Energietransport ohne Massentransport verstanden.
Bild523
Wärmeströmung – Konvektion
In der Physik wird Konvektion mit mechanischer Bewegung in Äquivalenz gesetzt. Das Bedeutet, dass infolge von Dichteunterschieden in Gasen (Luft) oder in Flüssigkeiten (Wasser) diese Bewegung entsteht.
Bild624
Wärmestrahlung
Die Wärmestrahlung (Sonne) ist nicht an Materie gebunden und auch im Vakuum (z.B. Weltall) möglich. Wenn eine bestimmte Quelle Wärmestrahlungen abgibt, wird von anderen Materien die Strahlungen absorbiert und teilweise reflektiert. Die Aussage wird damit verifiziert, indem wir exemplarisch die Entfernung Sonne-Erde (ca. 150Mio. km) beobachten, und die bei uns ankommende Energie (Wärme) messen.
Bemessungsrelevante Parameter
In diesem Abschnitt werden die wichtigsten Parameter zusammengetragen, mit denen im Anschluss die Berechnungen vollzogen werden.
Wärmeleitfähigkeit
Beschreibung
Die Wärmeleitfähigkeit, auch Wärmeleitzahl genannt, ist eine Stoffeigenschaft zur Berechnung des Wärmestroms aufgrund der Wärmeleitung: Die Wärmestromdichte ist direkt proportional zum Temperaturgradienten und der Proportionalitätsfaktor ist die Wärmeleitfähigkeit (Formelzeichen meist \Lambda).
In der eindimensionalen Differenzenschreibweise gilt:
Wärmestrom
vom Wärmestrom durchflossene Querschnittsfläche
Dicke der Schicht
Wärmeleitfähigkeit der Schicht
Temperaturdifferenz zwischen den Randflächen der Schicht mit der Dicke 25
Die Dämmplatten von Wärmedämmverbundsystemen haben im Regelfall eine Wärmeleitfähigkeit λ= 0,04 W/(m×K)
Rechenwerte der Wärmeleitfähigkeit λ von Stoffen die nicht in der DIN 4108-4 enthalten sind, sind entweder in deren Zulassung oder in einem Bescheid geregelt und werden im Bundesanzeiger veröffentlicht.
Beispiele von Wärmeleitfähigkeiten verschiedener Baustoffe:
Beton λ = 2,10 W/(m*K)
Außenputz λ = 0,87 W/(m*K)
Hochlochziegel λ = 0,58 W/(m*K)
Gips-Putz λ = 0,35 W/(m*K)
Polystyrol, 040 λ = 0,04 W/(m*K)
Berechnungsbeispiel im kurzen Exkurs
In diesem speziellen Fallbeispiel soll die Wärmeleitfähigkeit einer Wand berechnet werden. Dies ist aus dem Grund wichtig, damit gezeigt werden kann wie diese Konstanten im Bereich der Physik handzuhaben sind. Die Aufgabe wurde aus einem Lehrbuch für Wärmeübertragung entnommen, jedoch der Weg zur Lösung von meiner Person, welche mit Hilfe sehr vielen Tutorien und anderen Beispielen erarbeitet worden ist.
Die Herangehensweise wird Schritt für Schritt erklärt.
Beispiel:
Die δ = 400 mm dicke Wand besteht aus gesetzten Schamottesteinen. Die Wärmeleitfähigkeit der Schamotte wird durch die Funktion:
= 0,045 – 0,008+ 0,017 (
beschrieben. Die mittlere Wärmeleitfähigkeit λm soll dabei durch drei verschiedene Verfahren berechnet werden:
λ(ϑm) = λ
λm = 2)
Zu berechnen soll die Wärmestromdichte q (λm) durch die Wand sein, wenn die Innenwandtemperatur ϑW, i = 610 °C und die Außenwandtemperatur ϑW, a = 90 °C betragen.
Berechnungsweg:
Die Wärmestromdichte durch die ebene Wand lässt sich allgemein berechnen:
q=(Ï‘W,i + Ï‘W,a)
Ausgehend von den drei Verfahren werden die Wärmestromdichten ermittelt. Dies geschieht auf Grundlage der Ausgangsfunktion= 0,045 – 0,008+ 0,017 (, welcher oben gegeben ist. Durch einfaches Einsetzten ergeben sich für die drei Verfahren folgende zugehörige Funktionen:
0,045 - 0,008+ 0,017
λm=
Wenn wir nun die oben angegebenen Temperaturen in die Funktionen einsetzten und sie ausrechnen bekommen wir folgende Werte:
0,2253 W/(m K)
λm = 0,3402 W/(m K)
0,2636 W/(m K)
Somit ergeben sich die drei zugehörigen Wärmestromdichten zu
292,8W/m2
q = 442,2W/m2
342,6W/m2
Wärmedurchgangskoeffizient
Der Wärmeübergangskoeffizient \Alpha auch, ist ein Proportionalitätsfaktor, der die Intensität des Wärmeübergangs an einer Grenzfläche bestimmt. Der Wärmeübergangskoeffizient in W/(m²·K) ist eine spezifische Kennzahl einer Konfiguration von Materialien bzw. von einem Material zu einer Umgebung in Form eines Fluides.27
Der gesamte Wärmetransport von der Luft auf der einen Seite eines Bauteils zur anderen Seite wird als Wärmedurchgang bezeichnet.