Bauphysik

Wärmebrückenanalyse

Definition

Als Wärmebrücken werden allgemein örtlich begrenzte Störungen in der Baukonstruktion genannt, bei denen die innere Oberflächentemperatur beträchtlich niedriger als die der umgebenden Bauteile ist. Die Absenkung der inneren Oberflächentemperatur wird im Bereich der Wärmebrücken durch eine verstärkte Abführung der Wärmeenergie verursacht. Jedes Bauwerk hat unterschiedliche, oft unerkennbare Wärmebrücken unterschiedlicher Form und Auswirkung. Da die Erhöhnung der Wärmestromdichte in diesen Bereichen form- und /oder materialbedingt sein kann, wird prinzipiell zwischen zwei Typen von Wärmebrücken unterschieden:

  • Geometrisch bedingte Wärmebrücken

  • Stoffbedingte Wärmebrücken

Eine geometrisch bedingte Wärmebrücke liegt vor, wenn die wärmeaufnehmenden Bauteiloberflächen auf der Innenseite kleiner als die wärmeabgebenden Bauteiloberflächen auf der Außenseite sind. Diese Effekte entstehen z.B. bei Verbindung von Bauteilen unter Bildung eines Winkels oder einer Ecke. Typische Vertreter solcher Wärmebrücken sind Winkelanschlüsse von Außenwänden, auskragende Außenbauteile oder durch Anschluss von Wänden und Decken gebildete Raumecken

 

 

Eine auskragende ungedämmte Balkonplatte bildet eine geometrisch bedingte Wärmebrücke

 
Eine ungedämmte Attika aus Stahlbeton. Die wärmeaufnehmende Bauteilfläche auf der Innenseite ist beträchtlich kleiner als die wärmeabgebenden Attikaflächen  
Bei einem aus zwei Außenwänden gebildeten Winkel entsteht eine geometrisch bedingte Wärmebrücke  

Bei den stoffbedingten Wärmebrücken wird die erhöhte Ableitung der Wärmeenergie durch unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten der in einem Bauteil eingebauten Baustoffe verursacht. Zu den typischen Beispielen gehören hier Metall- oder Kunststoffverbindungsmittel, Stahlbetonstützen in gemauerten Mauerwerken oder Gefachkonstruktionen.


Problematik

Die Wirkung von Wärmebrücken in Außenbauteilen führt einerseits zur Änderung des Wärmestroms und darausfolgend zur Erhöhung der Gesamtwärmeverluste und des Energieverbrauchs eines Gebäudes, und andererseits zur Absenkung der inneren Oberflächentemperatur der Bauteile. Durch die steigenden Anforderungen an die Wärmedämmung von Gebäuden nimmt der Einfluss der Wärmebrücken erheblich zu, und muss entsprechend der neuen Energieeinsparverordnung - EnEV bei der Ermittlung des Transmissionswärmebedarfs rechnerisch erfasst werden. Die Absenkung der inneren Oberflächentemperatur der Bauteile kann im Zusammenhang mit dem Feuchtigkeitsgehalt der angrenzenden Raumluft zur Erhöhung der relativen Luftfeuchtigkeit bis zur Kondenswasserbildung an den Bauteiloberflächen führen. Beim Vorliegen eines Untergrunds mit organischen Bestandteilen (Anstriche, Raufasertapete) ist mit einem Schimmelpilzwachstum zu rechnen.

Die Wirkung von Wärmebrücken in einer Baukonstruktion quantifizierbar zu machen ist demzufolge sowohl im Planungsstadium eines Neubaus als auch bei der Begutachtung von Schadensfällen bei bestehenden Objekten notwendig. Eine rechnerische Erfassung von Temperaturzuständen in solchen gestörten Bauteilbereichen kann unter anderem durch Isothermenberechnung durchgeführt werden. Wärmebrücken bewirken eine Abweichung der Isothermen vom oberflächenparallelen Verlauf im ungestörten Bereich und können EDV-technisch visualisiert werden. Der Isothermenverlauf vermittelt ein anschauliches Bild von Temperaturen und Temperaturgefälle wie auch von der Richtung der Wärmeströme (senkrecht zu den Isothermen) in einem Bauteil. Die quantitative Erfassung von Wärmebrücken bildet damit eine wesentliche Grundlage für eine wärmetechnische Verbesserung baulicher Detaillösungen während der Gebäudeplanung und eine fachgerechte Analyse im Schadensfall.

Die Grundlage der rechnerischen Untersuchung von Wärmebrücken im Hochbau zur numerischen Berechnung von:

  • Thermischen Leitwerten
  • Längenbezogenen Wärmebrückenverlustkoeffizienten
  • Punktbezogenen Wärmebrückenverlustkoeffizienten
  • Temperaturfaktoren zur Abschätzung des Risikos einer Tauwasserbildung

stellen die nachfolgenden technischen Regeln dar:

DIN EN ISO 10211-1 „Wärmebrücken im Hochbau; Wärmeströme und Oberflächentemperaturen – Allgemeine Berechnungsverfahren“

DIN EN ISO 10211-2 „Wärmebrücken im Hochbau; Wärmeströme und Oberflächentemperaturen – Linienförmige Wärmebrücken“

DIN EN ISO 14683 „Wärmebrücken im Hochbau – Längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient

DIN EN ISO 13788 „Wärme- und feuchtetechnisches Verhalten von Bauteilen und Bauelementen – Raumseitige Oberflächentemperatur zur Vermeidung kritischer
Oberflächenfeuchte und Tauwasserbildung im Bauteilinneren“

DIN 4108 - Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden
Teil 2 „Mindestanforderungen an den Wärmeschutz“

 

Hierzu einige Beispiele aus der Praxis:

Beispiel 1

Die im Horizontalschnitt mit Hilfe eines 2-dimensionalen Modells ermittelte Temperaturverteilung in einer Raumecke eines Schlafzimmers (Baujahr 1991). Die konstruktive Ausbildung der Raumecke besteht hier aus einer mäßig gedämmten Stahlbetonstütze mit Anschluss an wärmegedämmte Wände. Die Oberflächentemperatur im Bereich der inneren Raumecke lag hier unterhalb des Grenzwertes von 12,6°C, nach DIN 4108-2.

  

Beispiel 2

Die im Vertikalschnitt mit Hilfe eines 2-dimensionalen Modells ermittelte Temperaturverteilung im Anschlussbereich einer Außenwand an die Kellerdecke in einem Wohnzimmer (Baujahr 1991).
Infolge der ungedämmten Stirnseite des Wandsockels wurde die Oberflächentemperatur des Anschlussbereiches auf der Innenseite unter die Grenztemperatur von 12,6 °C abgesenkt.

  

Beispiel 3
Die im Horizontalschnitt mit Hilfe eines 2-dimensionalen Modells ermittelte Temperaturverteilung im Fensteranschlussbereich (Baujahr 1996). Durch einen Einbau von Mauersteinen mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit im Anschlussbereich des Fensters kommt es zu einer Überschneidung einer geometrischen und materialbedingten Wärmebrücke und Absenkung der Oberflächentemperatur.  

Beispiel 4

    
Die im Vertikalschnitt mit Hilfe eines 2-dimensionalen Modells ermittelte Temperaturverteilung im Anschlussbereich zwischen Kellerdecke und Außenwand in einem Wohnzimmer (Baujahr 1962). Die ungedämmte Stirnseite und die Unterseite der Kellerdecke führen zu einer starken Abführung der Wärme in Richtung Außenluft und Kellerraum. Die niedrige Oberflächentemperatur der Wandinnenseite führt zu einer Schimmelpilzbildung.  

Beispiel 5

   
Die im Vertikalschnitt mit Hilfe eines 2-dimensionalen Modells ermittelte Temperaturverteilung im Bereich eines Rolladenkastens (Baujahr 1994). Wegen der unzureichenden Dämmung des Rolladenkastens im Anschluss an den Fensterrahmen führte die Wärmebrückenwirkung zu einer Absenkung der Oberflächentemperatur unter 12,6 °C.  

Beispiel 6

   
Die im Vertikalschnitt mit Hilfe eines 2-dimensionalen Modells ermittelte Temperaturverteilung im Anschlussbereich einer Geschossdecke an die Außenwand (Baujahr 1972). Der Anschluss der Geschossdecke aus Stahlbeton an die Außenwand aus Mauerwerk in Form eines Betonsturzes führte zu einer drastischen Abnahme der Oberflächentemperatur auf der Innenseite.