MEP HVAC engineering, étude thermique et fluide

  • Home
  • /
  • Graue Energie – vieviel steckt in Ihrem Gebäude

Graue Energie – vieviel steckt in Ihrem Gebäude

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 Begriffe – 5 –

1.1 Bauelemente: – 6 –

1.2 Nutzungsdauer: – 6 –

1.3 Wirkungsabschätzung: – 6 –

1.4 erneuerbare Energie – 6 –

1.5 Nutzer – 6 –

1.6 Lebenszyklusanalyse, LCA (Life Cycle Analyse) – 6 –

1.7 Nachhaltigkeit – 7 –

1.8 Excel-Tool – 7 –

1.9 Primärenergie – 7 –

2 Einleitung – 7 –

3 Aufgabenstellung – 8 –

4 Fazit – 8 –

5 Voraussetzungen – 9 –

5.1 Datenbank – 9 –

5.2 Primärenergiefaktoren/ kumulierte Energieverbräuche – 10 –

5.3 Gradtagzahlen – 11 –

5.4 CO2-Äquivalente – 11 –

5.5 Energiestandards – 11 –

6 Berechnung – 13 –

6.1 Energetische Berechnung – 13 –

6.1.1 Energieverbrauch – 13 –

6.2 U-Wertberechnung – 14 –

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 Bedienung – 19 –

7.1 Gebäudedaten einstellen – 19 –

7.2 Material suchen – 20 –

7.3 Bauphysik – 21 –

7.4 Energetik – 23 –

7.5 Bilanzen – 24 –

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 –

8 Auswertung – 30 –

9 Literaturverzeichnis – 31 –

10 Verzeichnisse – 32 –

10.1 Abbildungsverzeichnis – 32 –

10.2 Formelverzeichnis – 32 –

10.3 Tabellenverzeichnis – 33 –

11 Selbstständigkeitserklärung – 34 –

12 Anlagen – 35 –

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)

Tabelle Energiestandard

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

Formel Primärenergiefaktor

Mit

fprimär Primärenergiefaktor kWhprimär/kWh
KEV Kumulierter Energie-Verbrauch (KEV) kWhprimär/kWh

Formel Primärenergieverbrach

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
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
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

Formel Sättigungsdampfdruck

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:

  1. Gebäudedaten einstellen
  2. Material suchen
  3. Bauphysik
  4. Energetik
  5. Bilanzen

Gebäudedaten einstellen

Abbildung Gebäudedaten

In 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 suchen

Der 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

Tabelle Materialkategorien

Neben dem ausgewählten Material erscheint eine Material Nummer. Mit dieser kann in allen gelb markierten Ausfüllfeldern gearbeitet werden.

Bauphysik

Abbildung Bauphysik

In 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

Abbildung 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 Bilanzen

Abbildung Bilanzdiagram

In 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 Bilanzen

Als 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.

Abbildung CO2-Bilanz

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 3 Bauphysik – 21 –

Abbildung 4 Energetik – 23 –

Abbildung 5 Herstellenergie Bsp. Gedämmte Fachwerkwand – 23 –

Abbildung 7 Bilanzen – 24 –

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

  1. KS-Kalk-Sandstein
  2. KVH-Konstruktions Vollholz
  3. OSB-Oriented Strand Board

Leave Your Comment Here