Energetische-, physikalische -und klimatische Analyse von Baustoffen
„Die Gefahr von Klimaveränderungen auf der Erde durch menschliche Aktivitäten führt zu einer auch international weitgehend anerkannten Notwendigkeit zur möglichst weitreichenden Verminderung von CO2-Emissionen und des Primärenergiebedarfs in allen Verbrauchssektoren.“ (VDI-4650-1, 2009)
“Lohnt sich meine Baumaßnahme?“, „Wieviel Energie wurde benötigt, um den Baustoff herzustellen?“ „Wann hat sich meine Dämmmaßnahme amortisiert und ab wann spare ich wirklich Energie?“ „Sollte ich die Heizung sanieren, anstatt das Gebäude zu dämmen?“ „Welchen U-Wert-(siehe 6.2) hat das Gebäude nach der Sanierung?“, „Wieviel CO2 wurde für die Herstellung des Baumaterials emittiert und um wieviel kg wird der CO2-Ausstoß durch die Baumaßnahme vermindert?“, „Besteht die Gefahr von Algen- oder Schimmelpilz-Befall?“, „Ist mein Wandschichten-Aufbau physikalisch korrekt?“, „Welche Baumaterialien soll ich verwenden?“, „Wie lange hält das Material?“, „Welcher Energiestandard wird durch die Maßnahme erreicht?“.
Diese und viele weitere Fragen werden in dem entwickelten Excel-Tool (siehe 1.8) beantwortet.
Die in den vorhergehenden Studienarbeiten beschriebenen EPDs (Environmental Product Declaration = Umweltproduktdeklaration) dienen hier als qualitativ hochwertige Datenquelle. Anhand einer eigens angelegten Datenbank und unter Verwendung der Gemis CO2 –Äquivalente ist es gelungen ein Excel-Tool zu entwickeln, welches unter Erfassung der individuellen Gebäudedaten und der genutzten technischen Anlagen die energetische Amortisation graphisch darstellt.
Inhaltsverzeichnis
1.3 Wirkungsabschätzung: – 6 –
1.6 Lebenszyklusanalyse, LCA (Life Cycle Analyse) – 6 –
5.2 Primärenergiefaktoren/ kumulierte Energieverbräuche – 10 –
6.1 Energetische Berechnung – 13 –
6.2.1 Wärmedurchgangskoeffizient – 14 –
6.2.2 Wärmedurchlasswiderstand homogener und inhomogener Schichten – 14 –
6.3 Klimatische Berechnung – 15 –
6.3.1 Heizungs-CO2-Ausstoß – 15 –
6.3.2 CO2 Ausstoß durch Bauelement-Herstellung – 15 –
6.4 Diffusionsberechnung – 16 –
6.4.1 Wasserdampfdiffusionsäquivalente Luftschichtdicke – 16 –
6.4.2 Sättigungsdampfdruck – 16 –
6.4.3 Flächenbezogene Tauwassermenge – 17 –
6.4.4 Flächenbezogene Verdunstungsmenge Mev – 17 –
7.1 Gebäudedaten einstellen – 19 –
7.5.1 Die Benutzung des Bedienfeldes – 25 –
7.5.2 Die Energiebilanz – 26 –
7.5.3 Energie Einsparung gegenüber unsaniertem Zustand incl. Herstellenergie – 28 –
7.5.4 Klimatische Analyse (CO2) – 28 –
7.5.5 CO2-Äquivalente jeder Schicht – 29 –
10.1 Abbildungsverzeichnis – 32 –
10.3 Tabellenverzeichnis – 33 –
11 Selbstständigkeitserklärung – 34 –
12.1 Ausdruck des Excel-Tools – 35 –
Begriffe
| Abiotische Umweltfaktoren | Umweltfaktoren an denen keine Lebewesen beteiligt sind |
| BBSR | Bundes Institut für Bau-, Stadt- und Raumforschung |
| BMVBS | Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung |
| BNB | Bewertungssystem Nachhaltiges Bauen für Bundesgebäude |
| CaSi | Calcium-Silicat |
| Cradle to gate | Von der Wiege bis zum Werkstor. Z.B. vom Rohstoff bis zum fertigen Produkt |
| CSH | Calciumsilicathydrat (Feststoff des Porenbetons) |
| DGNB | Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen e.V. |
| EOL | End of Life = Lebensende eines Produkts, vollständige Zersetzung |
| EPD | Environmental Product Declaration = Umweltproduktdeklaration |
| EPS | expandiertes Polystyrol |
| Eutrophierung | Anreicherung von Nährstoffen in einem Ökosystem |
| FKW | Fluorkohlenwasserstoffe |
| FCKW | Fluorchlorkohlenwasserstoffe |
| GDI | Gesamtverband Dämmindustrie |
| HCBD | Hexacyclobromdodecan (hier: Flammschutzmittel für XPS EPS) |
| HFKW | Treibmittel, H = halogenierte, F = fluorierte,
KW = Kohlenwasserstoffe |
| IBU | Institut für Bauen und Umwelt e.V. |
| IPCC | Intergovernmental Panel on Climate Change (Der Weltklimarat der vereinten Nationen) |
| iterativ | sich schrittweise in wiederholten Rechengängen der exakten Lösung annähernd |
| IVPU | Industrieverband Polyurethan-Hartschaum |
| LCA | Life Cycle Analyse, Lebenszyklusanalyse |
| LCI | Life Cycle Inventory analysis, Sachbilanz |
| LCIA | Life Cycle Impact Assessment, Wirkungsabschätzung |
| MDI | Methylendiphenyldiisocyanat C15H10N2O2 (sog. Polymer welches zur PU-Herstellung verwendet wird) |
| MW | Mineralwolle |
| Nachhaltigkeit | „Fähigkeit eines Systems, für gegenwärtige und zukünftige Generationen erhaltbar zu sein“ [EN 15643] |
| PCR | Product Category Rules = Produktkategorieregeln |
| PE | Primärenergie (z.B. Kohle, Gas, Sonne, Wind) |
| Pentan | Halogenfreier Kohlenwasserstoff,C5H12 und zählt zu den Alkanen, kommen in Erdgasen, Crackgasen und in Benzinen vor und können durch Destillation daraus gewonnen werden |
| persistent | die Eigenschaft von Stoffen (Umweltgiften), unverändert durch physikalische, chemische oder biologische Prozesse in der Umwelt zu verbleiben |
| POPs | Stockholmer Konvention über persistente organische Schadstoffe |
| PU | Polyurethan |
| RSL | Reference Service Life = Referenznutzungsdauer |
| UBA | Umweltbundesamt |
| WDVS | Wärmedämmverbundsystem |
| XPS | extrudiertes Polystyrol |
| Mineralische Dämmung | Dämmung aus anorganischen Materialien, meist geschäumt |
| Natürliche Dämmstoffe | hier: nachwachsende organische Dämmstoffe direkt oder indirekt aus der Natur |
| Synthetische Dämmstoffe | herrührend aus aufwendigen, meist chemischen Produktionen. Hier ist die Erdölchemie gemeint |
| Wärmedämmstoffe | angelehnt an die schweizer Leitlinien: Lambda < 0,10 W/(mK) |
Bauelemente
ein aus mehreren Schichten und verschiedenen Materialien konstruiertes Bauteil, dessen Funktion lokal verschieden sein kann. Z.B. Wand-, Decken, Dachelement. Wobei es sich in dieser Studie, wegen der Diffusionskalkulation, nur um nicht erdberührte Außenbauteile handelt.
Nutzungsdauer
Nutzungsdauer, die ein Material oder ein zusammengesetztes Bauteil (Bauwerksteil)
erwartungsgemäß unter einer Reihe spezifischer Nutzungsbedingungen hat und die mithilfe von Angaben zur Referenz-Nutzungsdauer ermittelt wird. (DIN_EN_15643-1, 2012)
Wirkungsabschätzung
Phase der Ökobilanz, die dem Verständnis und der Beurteilung des Ausmaßes und der Bedeutung der möglichen Umweltauswirkungen eines Produktsystems über den Lebenszyklus des Produktes dient. Das Excel-Tool verwendet nur die CO2-Äquivalente.
erneuerbare Energie
Energie, die aus einer Energiequelle kommt und im menschlichen Zeithorizont wieder herstellbar ist.
Nutzer
Geschulte Person oder Organisation, die Interesse an energetischer, physikalischer und klimatischer Analyse hat (einschließlich Gebäudebesitzer, -manager, -Planer und Bewohner)
Lebenszyklusanalyse, LCA (Life Cycle Analyse)
Zusammenstellung und Beurteilung der zugeführten und abgeführten Flüsse ((Input- und Outputflüsse) und der potenziellen Umweltwirkungen eines Produktsystems im Verlauf seines Lebenszyklus
Nachhaltigkeit
„Fähigkeit eines Systems, für gegenwärtige und zukünftige Generationen erhaltbar zu sein“ (DIN_EN_15643-1, 2012)
Excel-Tool
Excel ist ein Tabellenkalkulationsprogram, das die graphische Darstellung komplizierter Rechnungen ermöglicht.
Primärenergie
Energie, die keinem Umsetzungs- oder Umwandlungsprozess unterzogen wurde.
[EN 15603:2008]
Einleitung
„Die Gefahr von Klimaveränderungen auf der Erde durch menschliche Aktivitäten führt zu einer auch international weitgehend anerkannten Notwendigkeit zur möglichst weitreichenden Verminderung von CO2-Emissionen und des Primärenergiebedarfs in allen Verbrauchssektoren.“ (VDI-4650-1, 2009)
“Lohnt sich meine Baumaßnahme?“, „Wieviel Energie wurde benötigt, um den Baustoff herzustellen?“ „Wann hat sich meine Dämmmaßnahme amortisiert und ab wann spare ich wirklich Energie?“ „Sollte ich die Heizung sanieren, anstatt das Gebäude zu dämmen?“ „Welchen U-Wert-(siehe 6.2) hat das Gebäude nach der Sanierung?“, „Wieviel CO2 wurde für die Herstellung des Baumaterials emittiert und um wieviel kg wird der CO2-Ausstoß durch die Baumaßnahme vermindert?“, „Besteht die Gefahr von Algen- oder Schimmelpilz-Befall?“, „Ist mein Wandschichten-Aufbau physikalisch korrekt?“, „Welche Baumaterialien soll ich verwenden?“, „Wie lange hält das Material?“, „Welcher Energiestandard wird durch die Maßnahme erreicht?“.
Diese und viele weitere Fragen werden in dem entwickelten Excel-Tool (siehe 1.8) beantwortet.
Die in den vorhergehenden Studienarbeiten beschriebenen EPDs (Environmental Product Declaration = Umweltproduktdeklaration) dienen hier als qualitativ hochwertige Datenquelle. Anhand einer eigens angelegten Datenbank und unter Verwendung der Gemis CO2 –Äquivalente ist es gelungen ein Excel-Tool zu entwickeln, welches unter Erfassung der individuellen Gebäudedaten und der genutzten technischen Anlagen die energetische Amortisation graphisch darstellt.
Aufgabenstellung
Mithilfe der erwähnten Datenbank soll ein Programm entwickelt werden, dass die Auswertung der Energie- und CO2 –Bilanz einer individuellen Baumaßnahme ermöglicht. Die Datenbank umfasst herstellenergetische Daten und Umweltauswirkungen für eine Lebenszyklusanalyse von der Wiege bis zum Werkstor (Cradle to Gate). Weitere Lebenszyklusphasen werden vernachlässigt. Nur die Nutzungsdauer der Materialien wird einbezogen. Ebenso ist die physikalische Korrektheit des Schichtenaufbaues zu prüfen, da dies eine grundsätzliche Voraussetzung für die weitere Berechnung darstellt. Als Programm soll Excel dienen. Das Excel-Tool soll es dem Nutzer ermöglichen, verschieden Szenarien für seine Immobilie durchzuspielen. Dabei soll die Größe des Gebäudes, dessen Standort und im Falle einer Sanierung, der bisherige U-Wert der Wände ausgewertet werden. Auch ist die Überlegung möglich, ob ggf. eine Heizmethodenänderung z.B. im Altbau sinnvoller wäre.
Fazit
Die Materialwahl und die Schichtdicke sind sowohl für die Bauphysik, die Energetik und den Klimaschutz von entscheidender Bedeutung. Die meisten üblichen Bau-/Sanierungsmaßnahmen amortisieren sich in weniger als zehn Jahren. Werden zehn Jahre überschritten sollte die Maßnahme kritisch hinterfragt werden.
Eine Dämmmaßnahme lohnt sich nur bis zu einer gewissen Dämmstärke.
Eine umweltfreundliche Heizmethode (Solarthermie, Geothermie, Wärmepumpe…), verringert die Notwendigkeit einer zusätzlichen Dämmmaßnahme. Auch die CO2-Bilanz ist meist nach wenigen Jahren positiv.
Das Excel-Tool verdeutlicht die dringende Notwendigkeit von Sanierungsmaßnahmen bzw. von energetisch bewusstem Bauen gemäß den heutigen wissenschaftlichen Kenntnissen und anerkannten physikalischen Formeln.
Ungedämmte Gebäudehüllen verbrauchen in bis zu 2,5 Jahren so viel Energie und CO2 wie für die Herstellung der erforderlichen Materialien benötigt wird.
Auch wenn es immer noch Kritiker gibt (z.B. Konrad Fischer), die die Notwendigkeit einer CO2-Emissions-Senkung verneinen.
Eine gut funktionierende gedämmte Gebäudehülle ist bei heutigen Komfortansprüchen äußerst notwendig, um die CO2-Emissionen zu senken. Insbesondere Niedrigenergiehäuser nach EnEV 2009 (Energieeinspar-Verordnung) und Passivhäuser (siehe 5.5) haben ein optimales Maß an erforderlichen U-Werten erarbeitet. Die richtige Auswahl des Dämmstoffs, die physikalischen Eigenschaften wie Diffusion und Brennbarkeit sind zu vergleichen.
Das erstellte Excel-Tool kann um viele Analysen erweitert werden, weil die Datenbank erheblich mehr Informationen über die Umweltauswirkungen beinhaltet.
Voraussetzungen
Datenbank
Grundlage der Berechnungen ist eine Datenbank mit 205 Baumaterialien. Die energetischen- und umweltrelevanten Indikatoren sind alle pro Kubikmeter angegeben, um ständiges Umrechnen von Masse, Stück zu Volumen zu vermeiden. Als zuverlässige Quellen dienen die Veröffentlichungen des Instituts für Bau und Umwelt e.V. – kurz IBU und des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit. Um die Datenbank mit bauphysikalischen Daten zu ergänzen, wird der VDI-Wärmeatlas, der sich teils auf die DIN 4108-4 und DIN EN ISO 10456 [10] bezieht, zu Rate gezogen. Für die Nutzungsdauer der Bauteile wird das Bewertungssystem Nachhaltiges Bauen (BNB) verwendet.
Folgende Daten werden erfasst:
| Name | Einheit/Bereich |
| Material-Nr. | 1-205 |
| Material | Datensatz, Name |
| Verwendung | Kategorie (Dach, Wand, Perimeter…) |
| Datenquelle | Quelle |
| Methode | Cradle to -Gate, -Grave, DIN |
| Primärenergie nicht erneuerbar | kWh/m³ |
| Primärenergie erneuerbar | kWh/m³ |
| Summe Primärenergie | kWh/m³ |
| Abiotischer Ressourcenverbrauch | kg Sb-Äqv. |
| Treibhauspotenzial | kg CO2-Äqv. |
| Ozonabbaupotenzial | kg R11-Äqv./CFC11-Äqv. |
| Versauerungspotenzial | kg SO2-Äqv. |
| Eutrophierungspotenzial | kg Phospat (PO4³)-Äqv. |
| Sommersmogpotenzial | kg Ethen (C2H2)-Äqv. |
| Einsatz von Süßwasser | FW [kg] |
| Mittlere Dichte | kg/m³ |
| Lambda/Wärmeleitfähigkeit | W/m*K |
| Druckfestigkeit | N/m²=Pa |
| Wärmekapazität DIN_EN_ISO_10456 | J/(kg*K) |
| Wasserdampfdiffusion | µ |
| Brandverhalten nach DIN 4102 | A1-B2 |
| Euroklasse DIN EN 13501 | A1-F |
| Nutzungsdauer nach BNB | Jahre |
Tabelle Daten und Einheiten der Datenbank
Primärenergiefaktoren/ kumulierte Energieverbräuche
„Das Internationale Institut für Nachhaltigkeitsanalysen und –strategien (IINAS) ist eine unabhängige transdisziplinäre Forschungseinrichtung, die in Darmstadt ansässig ist und im April 2012 gegründet wurde.“ ((IINAS), 2013) Auf der Homepage http://www.iinas.org/ kann man eine Excel-Liste der kumulierten Energie-Verbräuche in kWhprimär/kWh und die CO2-Äquivalente für folgende Heizmethoden herunterladen.
| Heizöl | Zentralheizung für leichtes Heizöl |
| Heizöl Brennwert | Brennwert-Zentralheizung für leichtes Heizöl |
| Erdgas | Zentralheizung für Erdgas |
| Erdgas-Brennwert | Brennwert-Zentralheizung für Erdgas |
| Elektro-mix | Elektro-Nachtspeicher-Heizung, Strom aus Kraftwerkmix |
| Elektro-WP-Luft (mix) | Elektro-Wärmepumpe, Wärmequelle Umgebungsluft, Strom aus Kraftwerksmix |
| Elektro-WP-Wasser (mix) | Elektro-Wärmepumpe, Wärmequelle Boden, Strom aus Kraftwerksmix |
| Elektro-WP-Boden (mix) | Elektro-Wärmepumpe, Wärmequelle Grundwasser, Strom aus Kraftwerksmix |
| Fernwärme-mix-DE | Mix von Fernwärme aus Heizkraft- und Heizwerken inkl. Fernwärmenetz, Leitungsverlusten + Pumpstrom |
| Holz-Stücke-Hzg | Heizung für Scheitholz (aus Waldrest- und Schwachholz) |
| Holz-Pellet-Hzg | Heizung für Holzpellets (aus Sägewerksreststoffen) |
| Holz-Hackschnitzel-Wald-Hzg | Heizung für Holz-Hackschnitzel (aus Waldrest- und Schwachholz) |
| Solar-Kollektor Cu Warmwasser | Warmwasser aus Solarenergie, Flachkollektor mit Umwälzpumpe und Speicher |
| Solar-Kollektor Vakuum Warmwasser | Warmwasser aus Solarenergie, Vakuum-Röhrenkollektor mit Umwälzpumpe und Speicher |
| Nahwärme-Biogas-mix-BHKW
(Blockheiz-Kraftwerk) |
Nahwärme aus Biogas-BHKW (85% Mais, 15% Gülle) und Gaskessel inkl. Wärmenetz, Leitungsverlusten und Pumpstrom |
| Fernwärme-Holz-Wald-HS-HKW | Fernwärme Holz-Waldhackschnitzel-HKW mit Gaskessel inkl. Wärmenetz, Leitungsverlusten + Pumpstrom |
| Geothermie-HW | Nahwärme aus Geothermie-Heizwerk inkl. Wärmenetz, Leitungsverlusten und Pumpstrom |
Tabelle IINAS 2013 GEMIS 4.8 Heizmethoden
Gradtagzahlen
„Gradtagzahl (auch Gradtagszahl, GTZ, Gt) und Heizgradtag (HGT, G) werden zur Berechnung des Heizwärmebedarfs eines Gebäudes während der Heizperiode herangezogen. Sie stellen den Zusammenhang zwischen Raumtemperatur und der Außenlufttemperatur für die Heiztage eines Bemessungszeitraums dar und sind somit ein Hilfsmittel zur Bestimmung der Heizkosten und des Heizstoffbedarfs.“ (2014)
Die Gradtagzahlen sind für Deutschland, Österreich und die Schweiz angegeben. Es findet sich für alle Regionen eine nahgelegene Stadt als Referenz.
CO2-Äquivalente
Die CO2-Äquivalente stammen für die Baumaterialien aus Umweltproduktdeklarationen und aus der „Ököbau.dat“ 2010 (BBSR).
Die CO2-Äquivalente für die Heizmethoden stammen ebenfalls aus Gemis 4.8 (siehe 4.2).
Energiestandards
Wikipedia bietet eine Darstellung der Energiestandards.
Folgende Standards werden verwendet.
| Standard | Heizwärmebedarf Qh | Primärenergiebedarf QP |
| Nicht saniertes Wohnhaus, Baujahr 1960–1980 | 300 kWh/(m²·a) | |
| Durchschnitt Deutschland 2002[3] | 160 kWh/(m²·a) | |
| Wärmeschutzverordnung (WSVO 77) | ≤ 250 kWh/(m²·a) | |
| Wärmeschutzverordnung (WSVO 82) | ≤ 150 kWh/(m²·a) | |
| Wärmeschutzverordnung (WSVO 95) | ≤ 100 kWh/(m²·a) | |
| Niedrigenergiehaus (EnEV 2002) | ≤ 70 kWh/(m²·a) | |
| KfW-60-Haus (EnEV 2004) | ≤ 60 kWh/(m²·a) | |
| KfW-40-Haus (EnEV 2004) | ≤ 40 kWh/(m²·a) | |
| KfW-Effizienzhaus 70 (EnEV 2007) | ≤ 60 kWh/(m²·a) | |
| KfW-Effizienzhaus 55 (EnEV 2007) | ≤ 40 kWh/(m²·a) | |
| KfW-Effizienzhaus 85 (EnEV 2009) | ≤ 55 kWh/(m²·a) 1 | ≤ 85 % Höchstwert EnEV 2009 (ca. 50 kWh/(m²·a)) |
| KfW-Effizienzhaus 70 (EnEV 2009) | ≤ 45 kWh/(m²·a) 1 | ≤ 70 % Höchstwert EnEV 2009 |
| KfW-Effizienzhaus 55 (EnEV 2009) | ≤ 35 kWh/(m²·a) 1 | ≤ 55 % Höchstwert EnEV 2009 |
| KfW-Effizienzhaus 40 (EnEV 2009) | ≤ 25 kWh/(m²·a) 1 | ≤ 40 % Höchstwert EnEV 2009 |
| Passivhaus (PHPP) | ≤ 15 kWh/(m²·a) 1 | ≤ 120 kWh/(m²·a) 2 |
| Effizienzhaus Plus (Plusenergie Haus) | ≤ 0 kWh/(m²·a) |
Berechnung
Energetische Berechnung
Energieverbrauch
Errechnet sich aus den zu kompensierenden Transmissionswärmeverlusten der Gebäudehülle und dem kumulierten Energieverbrauch der jeweiligen Heizmethode. Dies führt überschläglich zu dem Energieverbrauch. Fenster, Türen und andere Bauteile, sowie Wärmeverluste durch Infiltration, Wärmebrücken werden vernachlässigt
Primärenergieverbrauch
Mit
| fprimär | Primärenergiefaktor | kWhprimär/kWh |
| KEV | Kumulierter Energie-Verbrauch (KEV) | kWhprimär/kWh |
Mit
| Qprimär | Primärenergieverbrauch | kWhprimär/a |
| Qt | Transmissionswärmeverluste | kWh/a |
| fprimär | Primärenergiefaktor | kWhprimär/kWh |
Transmissionswärmeverlust
Formel Transmissionswärmeverluste
Mit
| Ubisher/saniert | Wärmedurchgangskoeffizient vor und nach der Sanierung | W/(m²*K) |
| A | Hüllfläche | m² |
| Gt | Gardtagzahl | kKh/a |
| Qt | Transmissionswärmeverluste | kWh/a |
U-Wertberechnung
Wärmedurchgangskoeffizient
Formel Wärmedurchgangskoeffizient
Mit
| R | Wärmedurchlasswiderstand | (m²*K)/W |
| U | Der Bemessungswert der Wärmeleitfähigkeit des Stoffes | W/(m²*K) |
Formel Zusammengesetzter Wärmedurchgangskoeffizient
Mit
| U | Wärmedurchgangskoeffizient | W/(m²*K) |
| d | Schichtdicke | m |
| Rsi | Wärmeübergangswiderstand, raumseitig | (m²*K)/W |
| Rse | Wärmeübergangswiderstand, außenseitig | (m²*K)/W |
| λ | Wärmeleitfähigkeit | W/(m*K) |
Wärmedurchlasswiderstand homogener und inhomogener Schichten
Wärmedurchlasswiderstand homogener Schichten
Formel Wärmedurchlasswiderstand homogener Schichten
Mit
| d | Die Dicke einer Schicht in der Bauteilkomponente | m |
| λ | Der Bemessungswert der Wärmeleitfähigkeit des Stoffes | W/(m*K) |
Wärmedurchlasswiderstand inhomogener Schichten
Formel Wärmedurchlasswiderstand inhomogener Schichten
Mit
| λ | Wärmeleitfähigkeit | W/(m*K) |
| l | Anteilige Länge | m |
| R | Wärmedurchlasswiderstand | (m²*K)/W |
| d | Dicke der inhomogenen Schicht | m |
Klimatische Berechnung
Heizungs-CO2-Ausstoß
Formel äquivalente Masse an CO2 durch Heizmethode
Mit
| Die äquivalente Masse an CO2 durch Heizen | kg/a | |
| CO2-Äquivalent der jeweiligen Heizmethode | kg/kWh | |
| Qprimär | Primärenergieverbrauch | kWhprimär/a |
CO2 Ausstoß durch Bauelement-Herstellung
CO2 Ausstoß durch Baustoff-Herstellung
Formel äquivalente Masse an CO2 durch Materialherstellung
Mit
| Die äquivalente Masse an CO2 durch das Bauelement | kg | |
| Die äquivalente Masse an CO2 durch Materialherstellung (1,2,3…n) | kg | |
| d | Schichtdicke | m |
| A | Hüllfläche | m² |
| Die äquivalente Masse an CO2 des Materials pro Volumen | kg/m³ |
CO2-Ausstoß durch Baustoffherstellung als Funktion der Zeit
Im Lebenszyklus eines Bauteils muss ein Material/Bauteil nach Vollendung der Nutzungsdauer erneuert werden. Dementsprechend wird bei einem Bauelement das Material ausgetauscht, und die Umweltauswirkungen in Abhängigkeit der Zeit müssen addiert werden.
Formel CO2-Ausstoß als Funktion der Zeit
| Die äquivalente Masse an CO2 durch das Bauelement
In Abhängigkeit der Zeit |
kg(t) | |
| Zeitfaktor: Ersatz des Material/Bauteil pro 50 Jahre | t/50 a | |
| t | Zeit in Jahren | a |
| Die äquivalente Masse an CO2 durch Materialherstellung (1,2,3…n) | kg |
Diffusionsberechnung
Die Diffusionsberechnung wird entsprechend DIN 4108-3 berechnet. In dem folgenden Abschnitt werden nur die wichtigsten Formeln zum grundlegenden Verständnis beschrieben.
Wasserdampfdiffusionsäquivalente Luftschichtdicke
Formel wasserdampfdiffusionsäquivalente Luftschichtdicke
Mit
| wasserdampfdiffusionsäquivalente Luftschichtdicke | m | |
| Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahl | [ ] | |
| d | Schichtdicke | m |
Sättigungsdampfdruck
Wenn T ≥ 0° C
Wenn T ≤ 0° C
Flächenbezogene Tauwassermenge
Die angegebene Formel bezieht sich nur auf Tauwasserausfall in einer Ebene. Das hier beschriebene Excel-Tool berechnet auch Tauwasserausfall in zwei oder mehreren Ebenen.
Zur Nachvollziehbarkeit wird auf die DIN 4108-3 verwiesen. Überschreitet die Tauwassermenge 0,5 kg /m² oder ist die Tauwassermenge größer als die Verdunstungsmenge wird eine Warnung angezeigt.
Formel 6.5.3 Flächenbezogene Tauwassermenge
Mit
| Tauwassermasse im Sommer | kg/m² | |
| Wasserdampfdruck innen | Pa | |
| Wasserdampfdruck außen | Pa | |
| -Wert in der Tauwasserebene (in der kritischen Schicht) | m | |
| Sättigungsdampfdruck in der Tauwasserebene | Pa | |
| m | ||
| Dauer der Tauperiode (7776 E 03 s) | s |
Flächenbezogene Verdunstungsmenge Mev
Formel Flächenbezogene Verdunstungsmenge
Mit
| Tauwassermasse im Sommer | kg/m² | |
| Wasserdampfdruck innen | Pa | |
| Wasserdampfdruck außen | Pa | |
| -Wert in der Tauwasserebene (in der kritischen Schicht) | m | |
| Sättigungsdampfdruck in der Tauwasserebene | Pa | |
| m | ||
| Dauer der Tauperiode (7776 E 03 s) | s | |
| Wasserdampf-Diffusionsleitkoeffizient in ruhender Luft [2 E -10 kg/(m ⋅s ⋅Pa)] | kg/(m*s*Pa) |
Bedienung
Das Programm ist in fünf Abschnitte gegliedert:
- Gebäudedaten einstellen
- Material suchen
- Bauphysik
- Energetik
- Bilanzen
Gebäudedaten einstellen
Abbildung GebäudedatenIn diesem Abschnitt werden Gebäudedaten mittels Schiebereglern und Auswahl-Listen eingestellt.
Falls es sich um eine Umbaumaßnahme oder eine Sanierung handelt, kann der Nutzer den bisherigen U-Wert einstellen. Ist der U-Wert nicht bekannt, kann in einem Zwischenschritt der Schichtenaufbau im Teil Bauphysik eingegeben werden. Der U-Wert wird dort angezeigt und kann übertragen werden. Darunter muss die bisherige Heizmethode angegeben werden.
Das Land und eine nahegelegene Stadt werden benötigt, damit die Heizstunden des Gebäudes lokal berücksichtigt werden können.
Als letztes muss die Hüllfläche des Gebäudes oder des zu sanierenden Elements angegeben werden.
Automatisch wird der Energiestandard und der überschlägliche Energieverbrauch angezeigt.
Material suchen
Abbildung Material suchenDer Nutzer kann hier die Datenbank nach seinen gewünschten Materialien durchsuchen.
Die Materialilien sind in folgenden Kategorien geordnet:
| Materialkategorie | Beispiele |
| Rohstoffe | Kalk (CaO; Feinkalk), Gips (CaSO4-Alpha-Halbhydrat), Sand 0/2 |
| Mauerwerk | Mauerziegel, Vormauerziegel, Porenbeton P2 04 unbewehrt, KS [1]… |
| Abdichtung | Betondachsteine, Bitumenbahnen, Faserzement Dachplatten |
| Innen | Gipskartonplatten, Dampfbremsen, Lehmstein |
| Beton | Transportbeton, Mörtel, Dünnbettmörtel, Zementestrich |
| Putz | Gipsputz, Kalk Putz, Kunstharzputz, Silikonharzputz |
| Asphalt | Asphalttragschicht, Gussasphalt, Tragdeckschicht |
| Dämmung | Mineralwolle, EPS, XPS, PU, Schaumglas, Zellulose, Hanfvlies… |
| Holzwerkstoffe | Schnittholz (Buche, Eiche, Fichte…), KVH [2], OSB [3], Spanplatte |
| Metalle | Bewehrstahl, Feinblech, Stahlprofil, Aluminium… |
| Farbe | Dispersionsfarbe, Silikonharzfarbe, Lack, Lösemittellack… |
| Sonstige | Polycarbonat Platte, PP-Vlies, PE Noppenfließ, Bitumen Kaltkleber |
Neben dem ausgewählten Material erscheint eine Material Nummer. Mit dieser kann in allen gelb markierten Ausfüllfeldern gearbeitet werden.
Bauphysik
Abbildung BauphysikIn einer Liste muss zunächst der Wärmeübergang ausgewählt werden.
Folgende Wärmeübergangswiderstände mit jeweiligen Wärmeströmen stehen zur Verfügung.
| Wärmeübergangswiderstände |
| Erdberührte Wände |
| Erdberührte Böden |
| Außenwände nicht hinterlüftet |
| Außenwände nicht hinterlüftet Wind ≥ 7m/s |
| Außenwände nicht hinterlüftet Wind ≥ 10 m/s |
| Außenwände hinterlüftet |
| Außenfenster und –Verglasungen |
| Wände gegen unbeheizt |
| Fenster, Verglasungen gegen unbeheizt |
| Kaltdächer, Wärmestrom nach oben |
| Kaltdächer, Wärmestrom nach unten |
| Warmdächer, Wärmestrom nach oben |
| Warmdächer, Wärmestrom nach unten |
| Decken gegen unbeheizt, Wärmestrom nach oben |
| Erdberührte Wände |
Tabelle Wärmeübergangswiderstände
Anmerkung: Die Diffusionsberechnung gilt nicht für erdberührte Bauteile.
Der Nutzer kann in der darunterliegenden Tabelle seine Materialien, dessen Stärke/Dicke und den flächenmäßigen Anteil in die gelben Felder eingeben.
Leerzeilen, Nullwerte, Buchstaben führen zu Fehlern.
Die Gesamtstärke, der U-Wert und ob eine Schädigung durch Tauwasser zu erwarten ist werden angezeigt.
Nach jeder Änderung sollte der Nutzer auf den Aktualisieren Knopf rechts oben klicken.
Dem Nutzer stehen sechs Beispiele zur Verfügung. Wenn der Nutzer einen dieser Knöpfe betätigt, füllt sich automatisch der gelbe Ausfüllbereich und ein beispielhaftes Ergebnis kann schnell und einfach betrachtet werden.
Zusätzlich wird ein Diagramm über den Temperaturverlauf mit betitelten Schichten und ein Glaser Diagramm angezeigt.
Letzteres zeigt an, in welcher Schicht Tauwasser zu erwarten ist. Der Nutzer kann entweder den Schichtenaufbau direkt verändern oder sich Details in der Arbeitsmappe Diffusionsdiagramm anschauen. Dort werden die Tauwassermenge im Winter und die Verdunstungsmenge im Sommer angegeben. Überschreitet die Tauwassermenge 0,5 kg/m² oder ist die Verdunstungsmenge geringer als die Tauwassermenge wird eine Schädigung angegeben.
Energetik
Der Nutzer kann hier die Materialien und Stärken/Dicken der energetisch relevanten Bauteile angeben. Handelt es sich z.B. um eine Sanierung, zählt der Bestand nicht zur Herstellenergiebilanz.
Allerdings sollte der Nutzer auch bauphysikalisch irrelevante Schichten, wie etwa Gipsspachtel, Farben und Anstrichen oder die Befestigung oder Verklebung angeben.
Nach jeder Änderung sollte der Nutzer auf den Aktualisieren Knopf rechts oben klicken.
Wieder stehen dem Nutzer die Beispiele aus 7.3 zur Verfügung.
Darunter wird die gesamte Herstellenergie des Projektes angezeigt. Um einen Überblick über die energetische Wichtung der einzelnen Materialien zu bekommen, wird rechts ein Säulendiagramm mit der Herstellenergie und dem Anteil an erneuerbaren Energien jeder Schicht dargestellt.
Abbildung Herstellenergie Bsp. Gedämmte Fachwerkwand
Bilanzen
Abbildung BilanzenIn dem letzten Abschnitt werden abschließend die auswertenden Diagramme angezeigt.
Der Nutzer soll hier einen Überblick über sein individuelles Projekt bekommen.
Die Bilanzen erfassen den Lebenswegabschnitt von der „Wiege zum Werkstor“. Transport zur Baustelle und Montage sind nicht mit eingerechnet.
Über ein Bedienfeld lassen sich die ersten 5 von 11 Schichten verändern. Die Dicke des ausgewählten Produkts und das Material selbst werden
Abbildung Schema, Flussdiagramm
in den Tabellen der Energetik über einen Knopf angepasst und aktualisiert.
Die Benutzung des Bedienfeldes
Abbildung Bedienfeld BilanzenAls erstes muss der „Anpassen“ Knopf gedrückt werden.
Daraufhin können Heizmethode, Material und Stärke/Dicke, sowie Hüllfläche verändert werden.
Nach jeder Änderung sollte der Knopf „Aktualisieren“ gedrückt werden. Die Diagramme passen sich den veränderten Werten an, so dass der Nutzer die Auswirkungen beurteilen kann.
Die Energiebilanz
Die Energiebilanz definiert die unsanierten Transmissionswärmeverluste als Output und die Herstellenergie zusätzlich der sanierten geringeren Transmissionswärmeverluste (Heizwärmebedarf). Verglichene Massen werden in kWhprimär bilanziert.
Abbildung Energiebilanz Sanierung
Abbildung Detail Energie Einsparung Sanierung
Input = Output
Abbildung Detail Energiebilanz Sanierung
Sobald die die durch Baumaßnahme zusätzlich zugeführte Energie gleich groß ist wie die sonst (unsaniert) abgeführte Energie, hat sich die Baumaßnahme amortisiert. Abbildung 17 CO2-Einsparung und Amortisationsdauer
Der blaue Graph zeigt die Heizenergie, die erforderlich ist, um die Transmissionswärmeverluste im undatierten Zustand auszugleichen. Es handelt sich um eine vereinfachte, überschlägliche Rechnung, welche die Bedeutung der energetischen Sanierung verdeutlicht.
Abbildung Energiebilanz Neubau
Stellschrauben
Verändert man die Heizmethode, ändert sich die Steilheit der blauen und der grünen Heizenergie-Graphen. Ist die Heizmethode nachhaltig, z.B. aus erneuerbaren Energien, amortisiert sich die Maßnahme langsamer. Die ausgewählten Materialien beeinflussen die zugeführte Herstellenergie (gelber Graph). Sie sind unterschiedlich lange haltbar und müssen erneuert werden. Das wird durch den Anstieg des gelben Graphen nach beispielsweise 40 Jahren angezeigt.
Ist die zugeführte Energie durch den Ersatz des Baumaterials (gelb) deutlich höher als die abgeführte Heizenergie (grün), sollte die Bau-/Sanierungsmaßnahme kritisch betrachtet werden, da die abgeführte Heizenergie im Jahr Null oberhalb der Herstellenergie beginnt, müsste der Heizenergie-Graph unterbrochen werden und am Hochpunkt (Punkt A, Abbildung 12) der Herstellenergie neu beginnen.
A
Die Hüllfläche beeinflusst die zugeführte Herstellenergie, jedoch nicht die Amortisationsdauer, weil zugeführte und abgeführte Energie proportional zur Hüllfläche sind.
Abbildung kritische Energiebilanz
Energie Einsparung gegenüber unsaniertem Zustand incl. Herstellenergie
In dieser Darstellung wird die Amortisationsdauer deutlich. Schneidet der grüne Graph die x-Achse, hat sich die Baumaßnahme vollständig amortisiert. Danach folgen die Einsparungen im positiven Bereich.
Abbildung kritische Energie Einsparung
Klimatische Analyse (CO2)
CO2-Bilanz
Die CO2-Bilanz wird genau wie die Energiebilanz interpretiert. Hierbei ist die Heizmethode ein wesentlicher Faktor. Wählt der Nutzer beispielsweise als Heizmethode Solar-Kollektoren, amortisieren sich die wenigsten Bau-/ Sanierungsmaßnahmen.
CO2-Einsparung
Übertriebene Dämmmaßnahmen werden über eine lange Amortisationsdauer gekennzeichnet.
Amortisierungsdauern von über 5 Jahren sind selten und sollten kritisch betrachtet werden.
Abbildung CO2-Einsparung und Amortisationsdauer
CO2-Äquivalente jeder Schicht
Dem Nutzer ist es an dieser Stelle möglich, jedes einzelne Material nach dessen CO2-Äquivalent zu beurteilen. Über die Schieberegler oder die gelben Ausfüllfelder im Bedienelement können die Materialien variiert und verglichen werden.
Abbildung CO2-Äquivalente jeder Schicht
Auswertung
Die Hüllfläche beeinflusst die Massen aber nicht die Bilanzen. Die Verwendung von Holz und natürlichen, nachwachsenden Materialien führt wegen der negativen CO2-Äquivalente zu einer sehr guten CO2-Bilanz. Man sollte beachten, dass diese Materialien den CO2-Ausstoß eines umweltschädlichen Materials in der Bilanz überdecken können. Holzfaserplatten sollten nicht als primärer Dämmstoff verwendet werden. Vielmehr dienen sie als konstruktives Mittel. Mit bitumenhaltigen Materialien ist diffusionstechnisch vorsichtig umzugehen. Innendämmung ist schwer realisierbar. Die meisten Diffusionsprobleme lassen theoretisch durch eine innen verklebte Dampfbremse oder einen diffusionsoffenen Putz an der Außenseite beheben. Der eventuelle Nachteil bei traditionellen Putzen ist die Auftragsdicke und die Rissbildung zusätzlich zu dem hohen Eigengewicht. Die Wasseraufnahme durch Bewitterung ist nicht Bestandteil der Diffusionsberechnung.
Eine massive (Mauerwerk) Bauweise ist energetisch aufwendiger als die Leichtbauweise. Ein Blockhaus z.B. weist eine Speicherung an CO2 auf, hat jedoch eine schlechte Energiebilanz.
Ein vielschichtiger Aufbau ist wenig empfehlenswert. Das optimale Dämmmaß für das individuelle Bauelement wird leicht ersichtlich. Der U-Wert verändert sich bei sehr dicken Dämmschichten kaum. Dem Nutzer wird schnell klar, dass die zugeführte Energie der Herstellung in wenigen Jahren durch Energieeinsparung amortisiert wird.
Die CO2-Bilanz hängt größtenteils an der Heizmethode. Geläufige Sanierungskonzepte haben teils eine negative CO2Bilanz.
Das Tauwasser kondensiert meist in der Dämmebene. Mit organischen diffusionshemmenden Schichten sollte man vorsichtig umgehen. EPS und PU können im Sommer kaum Feuchtigkeit verdunsten. Im Sanierungsfall ist es möglich, innen und außen zu dämmen. Dispersionsharz- und Silikonharzputze sind sehr dampfdicht und oft Ursache eines Diffusionsproblems. Ein gewöhnlicher Normalputz wäre häufig die Lösung für das Feuchteproblem. Eine diffusionsoffene Bauweise ist nicht feuchte-gefährdet.
Die Heizmethoden-Optimierung sollte in Betracht gezogen werden, weil sich aufwendige Sanierungsmaßnahmen energetisch und auch klimatisch wenig amortisieren.
Der Nutzer ist bisher gezwungen, die Ergebnisse der variierten Schichtenaufbauten selbst zu notieren. Eine automatische Ergebnis Speicherung wäre wünschenswert.
Literaturverzeichnis
(IINAS), Internationale Institut für Nachhaltigkeitsanalysen und -strategien. 2013. IINAS. [Online] 2013. http://www.iinas.org.
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit. Bewertungssystem Nachhaltiges Bauen (BNB). [Online] https://www.bnb-nachhaltigesbauen.de/.
DIN_4108-3. 2012. Klimabedingter Feuchteschutz. s.l. : Deutsches Institut für Normung, 2012.
DIN_EN_15643-1. 2012. Nachhaltigkeit von Bauwerken –Bewertung der Nachhaltigkeit von Gebäuden –. 2012.
DIN_EN_ISO_10456. 2010. Wärme- und feuchtetechnische Eigenschaften. 2010.
DIN_EN_ISO_6946. 2008. Berechnung_Waermedurchgang. 2008.
VDI-4650-1. 2009. kurzverfahren zur Berechnung des Jahresarbeitszahl von Wärmepumpen VDI 4650-1. s.l. : Verein Deutscher Ingenieure, 2009.
2014. Wikipedia. [Online] 2014. www.wikipedia.org.
Verzeichnisse
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 Gebäudedaten – 19 –
Abbildung 2 Material suchen – 20 –
Abbildung 5 Herstellenergie Bsp. Gedämmte Fachwerkwand – 23 –
Abbildung 6 Bilanzdiagram – 24 –
Abbildung 8 Schema, Flussdiagramm – 24 –
Abbildung 9 Bedienfeld Bilanzen – 25 –
Abbildung 11 Energiebilanz Sanierung – 26 –
Abbildung 10 Detail Energie Einsparung Sanierung – 26 –
Abbildung 12 Detail Energiebilanz Sanierung – 26 –
Abbildung 13 Energiebilanz Neubau – 27 –
Abbildung 14 kritische Energiebilanz – 27 –
Abbildung 15 kritische Energie Einsparung – 28 –
Abbildung 16 CO2-Bilanz – 28 –
Abbildung 17 CO2-Einsparung und Amortisationsdauer – 29 –
Abbildung 18 CO2-Äquivalente jeder Schicht – 30 –
Formelverzeichnis
Formel 1 Primärenergiefaktor – 13 –
Formel 2 Primärenergieverbrach – 13 –
Formel 3Transmissionswärmeverluste – 13 –
Formel 4 Wärmedurchgangskoeffizient – 14 –
Formel 5 Zusammengesetzter Wärmedurchgangskoeffizient – 14 –
Formel 6 Wärmedurchlasswiderstand homogener Schichten – 14 –
Formel 7 Wärmedurchlasswiderstand inhomogener Schichten – 14 –
Formel 8 äquivalente Masse an CO2 durch Heizmethode – 15 –
Formel 9 äquivalente Masse an CO2 durch Materialherstellung – 15 –
Formel 10 CO2-Ausstoß als Funktion der Zeit – 16 –
Formel 11 wasserdampfdiffusionsäquivalente Luftschichtdicke – 16 –
Formel 12 Sättigungsdampfdruck – 16 –
Formel 13 6.5.3 Flächenbezogene Tauwassermenge – 17 –
Formel 14 Flächenbezogene Verdunstungsmenge – 17 –
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1 Daten und Einheiten der Datenbank – 10 –
Tabelle 2 IINAS 2013 GEMIS 4.8 Heizmethoden – 11 –
Tabelle 3 Energiestandard – 12 –
Tabelle 4 Materialkategorien – 20 –
Tabelle 5 Wärmeübergangswiderstände – 21 –
Anlage
Ausdruck des Excel-Tools
Noch eine Dipl. Arbeit
macht Spass zu informieren.
Vielen lieben Dank
Hallo, in der Download Sparte für das Excel tool, kann ich leider nach Eingabe der Email keine Datei generieren. Es wird nur ein Error angezeigt nachdem man den Link öffnen.
danke für den Kommentar. Sorry, da hab ich ein Plugin deaktiviert. Der Fehler wurde behoben. Bitte nochmal probieren