Exemplarische Lösungen

Im Folgenden werden exemplarisch für zwei Gebäudebeispiele die Kennzahlen des Wärmeschutzes, des Schallschutzes, des Feuchteschutzes, der Vermeidung sommerlicher Überwärmung und der Gesamtenergieeffizienz berechnet und erläutert.

Definition von 2 Gebäudebeispielen

Als zwei charakteristische Vertreter von Wohnbautypologien in Ziegelbauweise werden ein Einfamilienhaus und ein Mehrfamilienhaus mit exemplarischer Geometrie, technischer Gebäudeausstattung und Bauphysik der Hüllbauteile definiert.

Geometrie

Bei dem exemplarischen Einfamilienhaus handelt es sich um ein zweigeschoßiges Gebäude mit nahezu quadratischer Grundfläche. Der Keller sowie der Dachraum werden als unbeheizt und ungedämmt angenommen und sind somit nicht Teil der thermischen Hülle.

Bei dem exemplarischen Mehrfamilienhaus handelt es sich um einen dreigeschoßigen Wohntrakt. Verglichen zum Einfamilienhaus weist das Gebäude mit einer charakteristischen Länge von 2,30 m statt 1,45 m eine deutlich bessere Kompaktheit auf. Der Keller sowie der Dachraum werden als unbeheizt und ungedämmt angenommen und sind somit nicht Teil der thermischen Hülle.

 

Geometrie:

• Länge: 10,26 m
• Breite: 9,86 m
• Brutto Grundfläche: 202 m²
• Brutto Volumen: 708 m²
• Gebäude- Hüllfläche: 487 m²
• Kompaktheit A/V: 0,69
• Charakteristische Länge 𝑙_c: 1,45

Fenster:

• 18,0 m² südorientiert
• 8,1 m² nordorientiert
• 3,9 m² ostorientiert
• 6,9 m² westorientiert

 

 

Geometrie:

• Länge: 61,6 m
• Breite:10,3 m
• Brutto Grundfläche: 1 903 m²
• Brutto Volumen: 6 022 m³
• Gebäude- Hüllfläche: 2 634 m²
• Kompaktheit A/V: 0,44
• Charakteristische Länge 𝑙_c: 2,29

Fenster:

• 235 m² südorientiert
• 117 m² nordorientiert
• 6,6 m² ostorientiert
• 6,6 m² westorientiert

Technische Gebäudeausrüstung

Das System der Raumheizung und Warmwasserbereitung im Einfamilienhaus wird definiert als zentrale Wärmebereitstellung durch einen Pelletskessel und sonstige Festlegungen wie folgt:

• zentrale Wärmebereitstellung für Warmwasser und Raumwärme mittels Pelletskessel
• 8 m² Solaranlage mit Vakuum-Röhrenkollektoren
• 500 Liter Pufferspeicher
• 3/3 gedämmte Verteil-, Steig- und Anbindeleitungen
• Wärmeabgabe mittels Fußbodenheizung (Temperaturniveau 35 °C/28 °C)
• Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung (65 % Wärmebereitstellungsgrad)

Das System der Raumheizung und Warmwasserbereitung im Mehrfamilienhaus wird definiert als zentrale Wärmebereitstellung durch eine Sole-Wasser-Wärmepumpe und sonstige Festlegungen wie folgt:

• zentrale Wärmebereitstellung für Warmwasser und Raumwärme mittels Sole- WasserWärmepumpe mit Tiefensonden
• 3/3 gedämmte Verteil-, Steig- und Anbindeleitungen
• Wärmeabgabe mittels Fußbodenheizung (35/28 °C)
• Zirkulation Warmwasserleitung
• Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung (65 % Wärmebereitstellungsgrad)

Bauphysik der Hüllbauteile

Es werden drei exemplarische Wandsysteme in Ziegelbauweise in Übereinstimmung mit Kapitel 7 definiert und für die weiteren Berechnungen herangezogen, wobei alle drei Wandkonstruktionen zur besseren Vergleichbarkeit einheitlich auf einen U-Wert von 0,16 W/m²·K dimensioniert werden.

• monolithische Außenwand 50 cm mit Putzfassade
• Ziegelwand 25 cm mit Wärmedämmverbundsystem
• Ziegel-Zweischalenwand 25 cm + 10 cm mit Luftschicht und Wärmedämmung

In allen Fällen wird weiters zugrunde gelegt:

• oberste Geschoßdecke aus Ziegeldecke mit Aufbeton und oberseitiger Wärmedämmung
• Kellerdecke aus Ziegeldecke und Aufbeton, Trittschalldämmung und Estrich und mit unterseitiger Wärmedämmung
• Dreischeiben-Wärmeschutzverglasung mit außenliegendem Sonnenschutz

Fenster

Wärmeschutz:

• U_g = 0,60 W/m²K
• U_f = 1,1 W/m²K
• ψ = 0,03 W/mK
• g-Wert = 0,50

Sonnenschutz: Es wird ein außenliegender Sonnenschutz angesetzt. Lt. ÖNORM B 8110-3 ergibt sich bei gegenwärtigem Fenster mit außenliegendem Sonnenschutz (Lichtdurchlass mittel, Farbe Hell) ein F_c von 0,265.

Schallschutz: Die Fenster weisen ein Schalldämm-Maß von 36 dB auf. 

Nutzung und Klimastandort

Das Nutzungsprofil wird entsprechend der ÖNORMB B8110-5 für Einfamilienhaus und Mehrfamilienhaus angenommen. Als Klimastandort wird Wien Penzing gewählt. Für die Berechnungen wird ein zusatzgedämmtes Wandsystem gewählt.

Vermeidung sommerlicher Überwärmung – Ergebnisse

Nachfolgend werden beide Rechenverfahren zum Nachweis der Vermeidung sommerlicher Überwärmung laut ÖNORM B 8110-3 auf den jeweils kritischen Raum jedes der beiden Referenzgebäude angewandt. Erstens die Berechnung des Tagesverlaufes der operativen Temperatur, zweitens der Nachweis über die immissionsflächenbezogene speicherwirksame Masse.

Einfamilienhaus

Für beide Nachweismethoden ist der im Sinne der Fragestellung kritische Raum zu finden. Ausschlaggebende Parameter sind die Fensterorientierung, die Fenstergröße, die Raumgröße und eventuell vorliegende Abschattungen.
Im gegenständlichen Referenzgebäude EFH erweist sich der Wohnraum als der kritische Raum und wird daher für beide Nachweisverfahren herangezogen:

Berechnung des Tagesverlaufes der operativen Temperatur

Außenklima-Randbedingungen und Nachbarräume: Als Tagesmittelwert der Außentemperatur ist laut ÖNORM B 8110-3 jene Außenlufttemperatur heranzuziehen, für die am gegebenen Standort eine Überschreitungshäufigkeit von 130 Tagen in 10 Jahren vorliegt. Ihre Ermittlung ist in ÖNORM B 8110-5, Bbl. 2, festgelegt und wird dort als „Normsommeraußentemperatur“ oder abgekürzt NAT-13 bezeichnet.
Für den gewählten Standort Wien ergibt sich diese Normsommeraußentemperatur zu einem Wert von 23,4 °C. Auf diesen Mittelwert wird der Tagesgang der stündlichen Temperaturen mit einer Amplitude von ca. ±7 K laut ÖNORM B 8110-3, Anhang A, aufgeprägt.
Die Nachbarraumbedingungen werden normgerecht angesetzt: gegen Keller wie gegen außen. Gegen alle anderen Räume ident zum untersuchten Raum.
anzunehmende innere Lasten: Die inneren Lasten werden laut normativer Vorgabe als Stundenwerte der inneren Lasten durch Geräte und Personen angesetzt.

Annahmen zur Lüftung: Die Annahmen zur Lüftung werden in Übereinstimmung mit den Stundenwerten des spezifischen hygienischen Luftvolumenstroms laut ÖNORM B 8110-3 getroffen. Zusätzlich wird außerdem eine Nachtlüftung angesetzt, deren Luftwechsel aus der Annahme eines von 21:00 bis 08:00 Uhr geöffneten Fensterflügels eines freien Strömungsquerschnitts von BxH = 1,0 m x 2,0 m mit dem Formelapparat aus ÖNORM B 8110-3 berechnet wird. Es ergibt sich daraus ein nächtlicher Luftwechsel von bis zu 𝑛 = 5,5 1/h. Es wird vorausgesetzt, dass die notwendigen Sicherheitserfordernisse (gegen Sturm, Schlagregen, Einbruch u. dgl.) und der Schallschutz trotz Nachtlüftung erfüllt werden.

Sonnenschutz: Es wird ein außenliegender Sonnenschutz von ausreichender Gebrauchstauglichkeitswindgeschwindigkeit angesetzt. Laut ÖNORM B 8110-3 ergibt sich für einen außenliegenden, hellen Sonnenschutz mittleren Lichtdurchlasses:

Abminderungsfaktor Sonnenschutz F_c = 0,265

Die operative Temperatur liegt mit max. 24,3 °C unter der lt. ÖNROM B 8110-3 vorgegebenen max. Temperatur von 27 °C. Auch die Temperatur in den Nachtstunden liegt mit maximal 21,1 °C unter der vorgegebenen Temperatur von 25 °C. Laut Klassifizierung des sommerlichen Verhaltens nach ÖNORM B 8110-3 weist das Gebäude eine Sommertauglichkeit nach Güteklasse A auf.

vereinfachter Nachweis der immissionsflächenbezogenen speicherwirksamen Masse

Die Zulässigkeit der Anwendung dieses vereinfachten Verfahrens ist auf Wohngebäude beschränkt und ist außerdem nur an Standorten zulässig, deren Auslegungstagesmitteltemperatur höchstens 23,0 °C beträgt, und ist außerdem nur dann zulässig, wenn sämtliche Fenster des als kritisch eingestuften Einzelraumes nachts offen gehalten werden können.
Diese Voraussetzungen werden im gegenständlichen Fall erfüllt bzw. werden (Fensteröffnung) als erfüllbar vorausgesetzt.

Immissionsfläche: Als Immissionsflächen im Sinn der Norm gelten die verglasten Anteile der Fenster, abgemindert um den Gesamtenergiedurchlassgrad, den Abschattungsgrad des Sonnenschutzes und den Orientierungs- und Neigungsfaktor. Im untersuchten Raum ergibt sich die Immissionsfläche AI somit zu 0,41 m².

immissionsflächenbezogener stündlicher Luftvolumenstrom: Normativ festgelegt ist in ÖNORM B 8110-3 die anzunehmende Luftwechselzahl nL in Räumen und Raumverbänden in Abhängigkeit von der Lage der Lüftungsöffnungen (in ein, zwei oder mehreren Fassaden- bzw. Dachebenen) bei vollständiger Öffnung unter Sommerbedingungen. Im untersuchten Raum liegen Fensteröffnungen in nur einer Fassadenebene vor und daher ist die anzunehmende Luftwechselzahl mit 𝑛_L = 1,5 1/h anzusetzen. Es ergibt sich somit ein immissionsflächenbezogener stündlicher Luftvolumenstrom von V_L,s = 300 m³/(h.m²).

speicherwirksame Masse: Die speicherwirksame Masse des Raumes 𝑚_w wird aus den wirksamen Speicherkapazitäten in einer 24-Stunden-Periode der einzelnen Bauteile errechnet. Eine vorhandene speicherwirksame Masse der Einrichtung kann optional berücksichtigt werden, was im gegenständlichen Fall nicht in Anspruch genommen wurde.

Es ergibt sich die speicherwirksame Masse des Raumes zu 𝑚_w = 10 728 kg. Es zeigt sich, dass auch im Massivbau die horizontalen Bauteile den weitaus größten Anteil der speicherwirksamen Masse bilden. Es ist ersichtlich, dass die Kellerdecke, aufgrund des raumzugewandten Estrichs, mit 4 448 kg mehr als die Hälfte der Speichermasse ausmacht.

Ergebnis: Aus obigen Berechnungen ergibt sich die gesamte immissionsflächenbezogene speicherwirksame Masse des Raumes zu 𝑚_w,I = 26 233 kg/m².
Dem gegenüber steht die Anforderung, dass dieser Wert die mindesterforderliche immissionsflächenbezogene speicherwirksame Masse übersteigen muss, welche in ÖNORM B 8110-3 in Abhängigkeit vom immissionsflächenbezogenen stündlichen Luftvolumenstrom als Anforderung festgelegt wird. Im gegenständlichen Raum liegt ein immissionsflächenbezogener stündlicher Luftvolumenstrom von V_L,s = 300 m³/(h.m²) vor und es ergibt sich daraus die Anforderung der mindesterforderlichen immissionsflächenbezogenen speicherwirksamen Masse zu 𝑚_w,l,min ≥2 000 kg/m².
Es liegt tatsächlich eine immissionsflächenbezogene speicherwirksame Masse des Raumes von: 𝑚_w,I = 26 233 kg/m² vor. Die Bedingung der Sommertauglichkeit ist demnach erfüllt.

Mehrfamilienhaus

Für beide Nachweismethoden ist auch hier der im Sinne der Fragestellung kritische Raum zu finden. Im gegenständlichen Referenzgebäude MFH erweist sich der südwestorientierte Wohnraum als der kritische Raum und wird daher für beide Nachweisverfahren herangezogen:

• Nutzfläche: 26,3 m²
• Nettovolumen: 78,8 m³
• Fensterfläche (Architekturlichte)
  • 6,2 m² südorientiert
  • 2,2 m² westorientiert

Berechnung des Tagesverlaufes der operativen Temperatur

Außenklima-Randbedingungen und Nachbarräume: Die Randbedingung des Außenklimas wird vollkommen analog dem Beispiel des EFH angesetzt. Die Nachbarraumbedingungen werden normgerecht angesetzt: gegen alle Nachbarräume ident zum untersuchten Raum.
Anzunehmende innere Lasten: Die inneren Lasten werden wie auch beim Beispiel des EFH laut normativer Vorgabe als Stundenwerte der inneren Lasten durch Geräte und Personen angesetzt.
Annahmen zur Lüftung: Die Annahmen zur Lüftung werden analog jenen im Beispiel des EFH getroffen. Es wird also zusätzlich zum hygienischen Luftvolumenstrom eine Nachtlüftung angesetzt, deren Luftwechsel aus der Annahme eines von 21:00 bis 08:00 Uhr geöffneten Fensterflügels eines freien Strömungsquerschnitts von B x H = 2,0 m x 1,0 m mit dem Formelapparat aus ÖNORM B 8110-3 berechnet wird. Es ergibt sich daraus ein nächtlicher Luftwechsel von bis zu n = 5,6 1/h. Es wird vorausgesetzt, dass die notwendigen Sicherheitserfordernisse (gegen Sturm, Schlagregen, Einbruch u. dgl.) und der Schallschutz trotz Nachtlüftung erfüllt werden.
Sonnenschutz: Es wird wie beim Beispiel des EFH ein außenliegender Sonnenschutz von ausreichender Gebrauchstauglichkeits-Windgeschwindigkeit angesetzt. Laut ÖNORM B 8110-3 ergibt sich für einen außenliegenden, hellen Sonnenschutz mittleren Lichtdurchlasses:

Abminderungsfaktor Sonnenschutz F_c = 0,265

Die operative Temperatur liegt mit max. 25,2 °C unter der lt. ÖNROM B 8110-3 vorgegebenen Temperatur von 27 °C. Auch die Temperatur in den Nachtstunden liegt mit max. 21,3 °C unter der vorgegebenen Temperatur von 25 °C. Der Nachweis der Sommertauglichkeit ist damit erfüllt. Lt. Klassifizierung des sommerlichen Verhaltens nach ÖNORM B 8110-3 weist das Gebäude eine Sommertauglichkeit nach Güteklasse A auf.

vereinfachter Nachweis der immissionsflächenbezogenen speicherwirksamen Masse

Die Zulässigkeit der Anwendung dieses vereinfachten Verfahrens ist wie beim EFH zu prüfen und ist gegeben.

Immissionsfläche: Im untersuchten Raum ergibt sich die Immissionsfläche A_I zu 0,64 m². Immissionsflächenbezogener stündlicher Luftvolumenstrom:
Im untersuchten Raum liegen Fensteröffnungen in nur zwei Fassadenebenen vor. Es ist daher die anzunehmende Luftwechselzahl mit 𝑛_L = 2,5 1/h anzusetzen. Es ergibt sich somit ein immissionsflächenbezogener stündlicher Luftvolumenstrom von V_L,s = 307,6 m³/(h.m²).

speicherwirksame Masse: Die speicherwirksame Masse des Raumes 𝑚_w wird aus den wirksamen Speicherkapazitäten in einer 24-Stunden-Periode der einzelnen Bauteile errechnet. Eine speicherwirksame Masse der Einrichtung kann optional berücksichtigt werden, was im gegenständlichen Fall nicht in Anspruch genommen wurde.

Es ergibt sich die speicherwirksame Masse des Raumes zu 𝑚_w = 16 456 kg.

Ergebnis:
Aus obigen Berechnungen ergibt sich die gesamte immissionsflächenbezogene speicherwirksame Masse des Raumes zu 𝑚_w,I = 160456 kg/m².

Im gegenständlichen Raum liegt ein immissionsflächenbezogener stündlicher Luftvolumenstrom von V_L,s = 307,6 m³/(h·m²) vor und es ergibt sich daraus die Anforderung der mindesterforderlichen immissionsflächenbezogenen speicherwirksamen Masse zu 𝑚_w,l,min ≥ 2 000 kg/m².

Laut ÖNORM B 8110-3 ergibt sich eine gesamte immissionsflächenbezogene speicherwirksame Masse für den Raum von 16 456 kg/m². Der Nachweis ist somit erfüllt.

Wärmebrückenoptimierung - Ergebnisse

Exemplarisch wird für das Mehrfamilienhaus ein Nachweis der wesentlichen Wärmebrücken hinsichtlich ihres Einflusses auf den Wärmeverlust und hinsichtlich der Freiheit von schädlichem Kondensat vorgenommen.
Gemäß dem vereinfachten Ansatz laut ÖNORM B 8110-6 müssen entsprechend dem vereinfachten Ansatz für die Berechnung des Heizwärmebedarfs nur die Wärmebrückenbereiche für Fenster und Türanschlüsse, Außenwand – Keller, Außenwand – Dach, auskragende Bauteile, Außenwand – Zwischendecke und Innenstützen im Freien berücksichtigt werden. Im gegenständlichen exemplarischen Mehrfamilienhaus beschränkt sich die Zahl der nachzuweisenden Wärmebrücken daher auf folgende Anschlussdetails (Die Wärmebrücke des Türeinbaus wird mit jenen der Fenster als weitgehend identisch angenommen und wird daher nicht gesondert angeführt.).

1 Sockelanschluss gegen unbeheizten Keller

2 Deckenanschluss

3a, 3b Dachanschluss, mit und ohne Übermauerung

4, 5 Anschluss Terrassentüren oben und unten

6 Anschluss Terrassentüren seitlich

Die Wärmeströme und Oberflächentemperaturen in den angeführten Details werden nachfolgend exemplarisch mittels 2D-Wärmebrückenanalyse berechnet. Darauf aufbauend werden die Wärmebrückenzuschlagskoeffizienten ermittelt und die Freiheit von schädlichem Oberflächenkondensat wird nachgewiesen.
Die Temperaturrandbedingungen werden im Einklang mit ÖNORM B 8110-2 innen mit 20 °C und außen -3,8 °C für den innerhalb Österreich ungünstigen und daher als Referenz empfohlenen Klimastandort Klagenfurt angesetzt.

Tabelle 4-10 zeigt die Berechnungsergebnisse in Form des linearen Wärmebrückenzuschlagskoeffizienten ψ, der minimalen inneren Oberflächentemperatur Θ_si,min und des minimalen Temperaturfaktors 𝑓_Rsi für die ausgewählten Anschlussdetails.

Falschfarbendarstellungen der Temperaturverteilung innerhalb des Bauteils siehe Abbildung 4-11 bis Abbildung 4-161.

Für die exemplarisch untersuchten Gebäude werden schließlich die Energiekennzahlen laut OIB RL 6:2011 für das Referenzklima ausgewertet, zuzüglich auch bereits des mit der OIB RL 6:2015 neu eingeführten HWB R_ef,RK.

Für das Einfamilienhaus ergeben sich folgende Energiekennzahlen:

• HWB_RK = 28,8 kWh/m²a
• HWB_Ref.,RK = 34,4 kWh/m²a
• 𝑓_{GEE RK} = 0,51
• EEB_SK = 71,2 kWh/m²a
• PEB_SK = 92,9 kWh/m²a
• CO_{2 SK} = 5,5 kg/m²a

Für das Mehrfamilienhaus ergeben sich folgende Energiekennzahlen

• HWB_RK = 17,3 kWh/m²a
• HWB_Ref.RK = 22,3 kWh/m²a
• 𝑓_GEE = 0,80
• EEB_SK = 37,5 kWh/m²a
• PEB_SK = 71,1 kWh/m²a
• CO_{2 SK} = 10,4 kg/m²a

In der vergleichenden Interpretation der Ergebnisse zeigt sich:

In der Kategorie des HWB weist das Mehrfamilienhaus im Vergleich zum Einfamilienhaus, trotz gleichwertiger thermischer Hülle, einen um ca. 1/3 niedrigeren HWB_Ref,RK auf, was der Effekt der größeren charakteristischen Länge, also der größeren Kompaktheit ist.

In der Kategorie des HWB_RK zeigt sich im Mehrfamilienhaus der Effekt der Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung, welcher sich in einer Verringerung des HWB_RK gegenüber dem HWB_Ref,RK um etwa 5 kWh/m²a niederschlägt.

In der Kategorie des EEB zeigt bildet sich die Charakteristik einer Wärmepumpenheizung ab, bei der nur die Antriebsenergie der WP, nicht aber die Umweltenergie im EEB abgebildet wird, weshalb das mit Wärmepumpe beheizte Mehrfamilienhaus einen faktoriell niedrigeren EEB als das mit Pellets beheizte Einfamilienhaus aufweist.

In der Kategorie der CO₂-Emissionen bildet sich die annähernde rechnerische Klimaneutralität des Brennstoffs Holz ab.

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