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Vergleich von Software zur Analyse von
zweidimensionalen Wärmebrücken
Comparison of software for analysis of two-dimensional thermal bridges
Bachelor Thesis
Martin Claus Müller
Bauingenieurwesen
© Martin Claus Müller – Technische Universität Darmstadt – ENERGIE & HAUS, B.Sc. Thesis, 2013
Martin Claus Müller
Email: waermebrueckensimulation@gmail.com
Studiengang: Bachelor of Science Bauingenieurwesen
Bachelor Thesis
Thema: "Vergleich von Software zur Analyse von zweidimensionalen Wärmebrücken"
Onlineausgabe/Version 1.1/Stand 23.10.2013
Technische Universität Darmstadt
Fachgebiet Werkstoffe im Bauwesen
Fachbereich Bauingenieurwesen
Petersenstraße 12
64287 Darmstadt
ENERGIE & HAUS
Rheinstraße 99.4
64295 Darmstadt
Tel: 06151 - 360400
www.energie-und-haus.com
Danksagungen
An dieser Stelle möchte ich ganz herzlich allen danken, die mich bei der Erstellung dieser Bachelor
Thesis unterstützt haben.
Dies gilt insbesondere meinen Eltern, die mir jederzeit zur Seite standen und trotz Fehlschlägen im
Studium immer an mich glaubten; Prof. Dr. –Ing. Harald Garrecht, der das Interesse für Bauphysik
durch praxisnahe, interessante Vorlesungen und im persönlichen Gespräch weckte; Dipl.-Ing.
Thomas Becker, der mir stets geduldig sowie kompetent weitergeholfen hat, sich viel Zeit nahm
komplexe Inhalte zu erklären und dadurch die Qualität dieser Thesis in diesem Ausmaße erst
ermöglichte; Dipl.-Ing. Katrin Schubert für ihre weitreichenden Unterstützungen, da sie jederzeit
offen für den Dialog war, den Kontakt zu ENERGIE & HAUS herstellte und half die Lizenzen der
Programme zu erhalten; Dipl.-Ing. Elena Alexandrakis für die ansprechende Lehre der
„konstruktiven Bauphysik“ im WS12/13 und die Betreuung in der Endphase der Arbeit.
Besonders möchte ich der Firma ENERGIE & HAUS aus Darmstadt für großartige Mitarbeiter und
einen Arbeitsplatz, wie man ihn sich nur wünschen kann, danken.
Desweiteren danke ich Dr. Lars Ferchland sowie M.Sc. Patrick Sellheim für aufopferungsvolles
Korrekturlesen nicht nur unter physikalischen Gesichtspunkten.
Abschließend bedanke ich mich bei allen Firmen für das Bereitstellen der Softwarelizenzen.
i
Inhaltsverzeichnis
Danksagungen.................................................................................................................................. i
Inhaltsverzeichnis ............................................................................................................................ ii
Abbildungsverzeichnis ..................................................................................................................... v
Tabellenverzeichnis ....................................................................................................................... vii
Abkürzungsverzeichnis ................................................................................................................. viii
1
Aufgabenstellung und Absichten der Thesis ......................................................................... - 1 -
2
Themeneinführung .............................................................................................................. - 2 2.1. Definition...................................................................................................................... - 2 2.2. Arten von Wärmebrücken ............................................................................................. - 3 2.2.1
Stoffliche/materialbedingte Wärmebrücken ........................................................... - 4 2.2.2
Die geometrische Wärmebrücke ............................................................................. - 5 2.3. Dimensionen von Wärmebrücken .................................................................................. - 6 2.4. Punktförmige und lineare Wärmebrücken ..................................................................... - 7 2.5. Auswirkungen von Wärmebrücken ................................................................................ - 8 2.5.1
Schimmelpilzbildung .............................................................................................. - 9 2.5.2
Erhöhte Transmissionswärmeverluste ................................................................... - 10 2.6. Lokalisierung von Wärmebrücken ............................................................................... - 11 2.7. Notwendigkeit der Nachweisführung .......................................................................... - 12 2.7.1
Wärmebrückenberücksichtigung in der EnEV 2009 .............................................. - 12 2.7.2
Wärmebrückenkataloge ........................................................................................ - 14 2.8. Inhalt der DIN EN ISO 10211 – Wärmebrücken im Hochbau ....................................... - 15 -
3
Rechnerische Ermittlung zweidimensionaler Wärmebrücken.............................................. - 16 3.1. Allgemeine Grundlagen............................................................................................... - 16 3.2. Der Lineare Wärmebrückenverlustkoeffizient .............................................................. - 17 3.3. Bauteiloberflächentemperaturen ................................................................................. - 17 3.4. Innen- und Außenmaßbezug ....................................................................................... - 18 3.5. Die Numerische Methode der finiten Elemente zur Simulation von Wärmebrücken ..... - 19 -
4
Vorstellung der Software ................................................................................................... - 21 4.1. Therm ......................................................................................................................... - 22 4.2. WinIso ........................................................................................................................ - 23 4.3. Flixo ........................................................................................................................... - 23 4.4. Argos .......................................................................................................................... - 23 4.5. Psi-Therm ................................................................................................................... - 24 -
5
Einarbeiten in die Software................................................................................................ - 25 5.1. Therm ......................................................................................................................... - 25 5.2. WinIso ........................................................................................................................ - 26 5.3. Flixo ........................................................................................................................... - 27 5.4. Argos .......................................................................................................................... - 28 -
ii
5.5.
Psi-Therm ................................................................................................................... - 30 -
6
Validierung der Software durch Prüfreferenzfälle nach DIN EN ISO 10211 ........................ - 32 6.1. Prüfreferenzfall 1 ........................................................................................................ - 32 6.1.1
Therm .................................................................................................................. - 33 6.1.2
WinIso.................................................................................................................. - 33 6.1.3
Flixo ..................................................................................................................... - 34 6.1.4
Argos ................................................................................................................... - 34 6.1.5
Psi-Therm............................................................................................................. - 35 6.1.6
Fazit Prüfreferenzfall 1 ......................................................................................... - 35 6.2. Prüfreferenzfall 2 ........................................................................................................ - 36 6.2.1
Therm .................................................................................................................. - 37 6.2.2
WinIso.................................................................................................................. - 38 6.2.3
Flixo ..................................................................................................................... - 38 6.2.4
Argos ................................................................................................................... - 39 6.2.5
Psi-Therm............................................................................................................. - 40 6.2.6
Fazit Prüfreferenzfall 2 ......................................................................................... - 40 6.3. Ergebnisse der Validierung .......................................................................................... - 40 -
7
Berechnung der Beispieldetails .......................................................................................... - 41 7.1. Außenecke .................................................................................................................. - 42 7.1.1
Therm .................................................................................................................. - 44 7.1.2
WinIso.................................................................................................................. - 45 7.1.3
Flixo ..................................................................................................................... - 46 7.1.4
Argos ................................................................................................................... - 47 7.1.5
Psi-Therm............................................................................................................. - 48 7.1.6
Fazit Außenecke ................................................................................................... - 49 7.2. Sockelanschluss .......................................................................................................... - 50 7.2.1
Therm .................................................................................................................. - 52 7.2.2
WinIso.................................................................................................................. - 53 7.2.3
Flixo ..................................................................................................................... - 54 7.2.4
Argos ................................................................................................................... - 55 7.2.5
Psi-Therm............................................................................................................. - 56 7.2.6
Fazit Sockelanschluss ........................................................................................... - 57 7.3. Traufanschluss ............................................................................................................ - 58 7.3.1
Therm .................................................................................................................. - 59 7.3.2
WinIso.................................................................................................................. - 60 7.3.3
Flixo ..................................................................................................................... - 61 7.3.4
Argos ................................................................................................................... - 61 7.3.5
Psi-Therm............................................................................................................. - 61 7.3.6
Fazit Traufanschluss ............................................................................................. - 62 7.4. Fenstersturz mit Rollladenkasten ................................................................................ - 63 7.4.1
Therm .................................................................................................................. - 65 7.4.2
WinIso.................................................................................................................. - 66 -
iii
7.4.3
7.4.4
7.4.5
7.4.6
Flixo ..................................................................................................................... - 66 Argos ................................................................................................................... - 66 Psi-Therm............................................................................................................. - 67 Fazit Fenstersturz mit Rollladenkasten ................................................................. - 67 -
8
Bewertung ......................................................................................................................... - 69 8.1. Bewertungsinstrumente .............................................................................................. - 69 8.2. Die Kategorien der Bewertung .................................................................................... - 70 8.2.1
Funktionen ........................................................................................................... - 70 8.2.2
Einarbeiten........................................................................................................... - 70 8.2.3
Arbeiten mit der Software .................................................................................... - 70 8.2.4
Ablauf der Simulationen....................................................................................... - 71 8.2.5
Ergebnis der Simulationen ................................................................................... - 72 8.2.6
Ergebnisdarstellung .............................................................................................. - 72 -
9
Fazit .................................................................................................................................. - 73 -
10 Literaturverzeichnis ........................................................................................................... - 74 10.1. Verwendete Literatur .................................................................................................. - 74 10.2. Verwendete DIN-Normen ............................................................................................ - 75 10.3. Verwendete Internetquellen ........................................................................................ - 75 11 Anhang .................................................................................................................................... A
11.1. Berechnung der Oberflächentemperaturen ........................................................................ A
11.2. Ergebnisse der vier Anschlussdetails .................................................................................. B
11.3. Endbewertung .................................................................................................................. C
Erklärung zur Abschlussarbeit gemäß §23, Abs. 7APB ...................................................................... I
iv
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 – Beispiele für Stellen, an denen Wärmebrücken auftreten können .......................... - 2 Abbildung 2 – Thermografische Aufnahme einer materialbedingten Wärmebrücke ...................... - 4 Abbildung 3 – Thermografische Aufnahme konstruktive Wärmebrücke ........................................ - 4 Abbildung 4 - Außenecke Thermografie....................................................................................... - 5 Abbildung 5 – Beispiel einer geometrischen Wärmebrücke .......................................................... - 5 Abbildung 6 - Skizze Haus – lineare & punktf. WB ....................................................................... - 7 Abbildung 7 - Schimmelpilzbildung - Diagramm .......................................................................... - 9 Abbildung 8 - Seitenschnitt eines Wohnhauses .......................................................................... - 11 Abbildung 9 - Grundriss eines Stockwerks ................................................................................. - 11 Abbildung 10 - Grundriss des Kellers ......................................................................................... - 11 Abbildung 11 - Auszug Wärmebrückenkatalog Kalksandstein ................................................... - 15 Abbildung 12 - Innen- und Außenmaßbezug - Beispiel Außenecke ............................................ - 18 Abbildung 13 - Temperaturgleichgewicht innerhalb einer einzelnen Zelle ................................. - 19 Abbildung 14 - Thermische Leitung zwischen verschiedenen Zellen........................................... - 19 Abbildung 15 - Einarbeiten - Therm - Schaltflächen ................................................................... - 25 Abbildung 16 - Einarbeiten - Therm - Koordinaten..................................................................... - 25 Abbildung 17 - Einarbeiten - Therm - Fehlermeldung Überlappungen ........................................ - 25 Abbildung 18 - Einarbeiten - WinIso - Oberfläche ...................................................................... - 26 Abbildung 19 - Einarbeiten - WinIso - DXF-Editor ...................................................................... - 27 Abbildung 20 - Einarbeiten - Flixo - Oberfläche ......................................................................... - 27 Abbildung 21 - Einarbeiten - Argos - Oberfläche ........................................................................ - 28 Abbildung 22 - Einarbeiten - Argos - Anschlussdetailimport ....................................................... - 29 Abbildung 23 - Einarbeiten - Psi-Therm – Oberfläche ................................................................. - 30 Abbildung 24 - Einarbeiten - Psi-Therm - DXF-Skalierung .......................................................... - 30 Abbildung 25 - Prüfreferenzfall 1 aus DIN EN ISO 10211 .......................................................... - 32 Abbildung 26 - Prüfreferenzfall 1 - Therm ................................................................................. - 33 Abbildung 27 - Prüfreferenzfall 1 - WinIso ................................................................................. - 33 Abbildung 28 - Prüfreferenzfall 1 - Flixo .................................................................................... - 34 Abbildung 29 - Prüfreferenzfall 1 - Argos ................................................................................... - 34 Abbildung 30 - Prüfreferenzfall 1 – Psi-Therm ........................................................................... - 35 Abbildung 31 - Prüfreferenzfall 2 aus DIN EN ISO 10211 .......................................................... - 36 Abbildung 32 - Prüfreferenzfall 2 - Therm ................................................................................. - 37 Abbildung 33 - Prüfreferenzfall 2 – WinIso - Wärmestrom ........................................................ - 38 Abbildung 34 - Prüfreferenzfall 2 - Flixo – Oberflächentemperatur Punkt G ............................... - 38 Abbildung 35 - Prüfreferenzfall 2 - Argos – Temperaturdarstellung............................................ - 39 Abbildung 36 - Prüfreferenzfall 2 - Argos - Punkt C ................................................................... - 39 Abbildung 37 - Prüfreferenzfall 2 - Argos - Fehlermeldung ........................................................ - 39 Abbildung 38 - Prüfreferenzfall 2 – Argos – Gitternetz ............................................................... - 39 Abbildung 39 - Prüfreferenzfall 2 - Psi-Therm ............................................................................ - 40 Abbildung 40 - Anschlussdetail 1 – Außenecke .......................................................................... - 42 © Martin Claus Müller – Technische Universität Darmstadt – ENERGIE & HAUS, B.Sc. Thesis, 2013
v
Abbildung
Abbildung
Abbildung
Abbildung
Abbildung
Abbildung
Abbildung
Abbildung
Abbildung
Abbildung
Abbildung
Abbildung
Abbildung
Abbildung
Abbildung
Abbildung
Abbildung
Abbildung
Abbildung
41 - Außenecke - Bemaßung ..................................................................................... - 43 42 - Außenecke – WinIso - Ergebnis .......................................................................... - 45 43 - Außenecke – Flixo – Wärmestrom...................................................................... - 46 44 - Außenecke - Psi-Wert Berechnung – Flixo .......................................................... - 46 45 - Außenecke - Argos - Ergebnisdarstellung ........................................................... - 47 46 - Außenecke - Psi-Therm – Ergebnis ..................................................................... - 48 47 - Anschlussdetail 2 - Sockelanschluss ................................................................... - 50 48 - DIN 4108 Beiblatt 2 - Tabelle 7.......................................................................... - 50 49 - Sockelanschluss - Materialien ............................................................................ - 51 50 - Sockelanschluss - WinIso - Ergebnis ................................................................... - 53 51 - Sockelanschluss - Flixo ...................................................................................... - 54 52 - Sockelanschluss - Psi-Therm .............................................................................. - 56 53 - Anschlussdetail 3 - Traufanschluss ..................................................................... - 58 54 - Traufanschluss - Materialien .............................................................................. - 58 55 - Traufanschluss - WinIso - Idealisierung der Schräge........................................... - 60 56 - Anschlussdetail 4 - Rollladenkasten ................................................................... - 63 57 - Auszug aus 4108 Beiblatt 2 - Tabelle 7 .............................................................. - 64 58 - Anschlussdetail Rollladenkasten - Materialien.................................................... - 64 59 - Rollladenkasten - Äquivalente Wärmeleitfähigkeit ............................................. - 65 -
vi
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1 - Softwareliste ............................................................................................................ - 21 Tabelle 2 - Eigenschaften - Therm.............................................................................................. - 22 Tabelle 3 - Eigenschaften - WinIso ............................................................................................. - 23 Tabelle 4 - Eigenschaften - Flixo ................................................................................................ - 23 Tabelle 5 - Eigenschaften - Argos ............................................................................................... - 23 Tabelle 6 - Eigenschaften - Psi-Therm ........................................................................................ - 24 Tabelle 7 - Übersicht Ergebnisse Validierung ............................................................................. - 40 Tabelle 8 – Außenwand – Wandaufbau und U-Wert Berechnung ............................................... - 43 Tabelle 9 - Außenecke Ergebnis – Therm ................................................................................... - 44 Tabelle 10 - Außenecke Ergebnis – WinIso ................................................................................ - 45 Tabelle 11 - Außenecke Ergebnis – Flixo.................................................................................... - 46 Tabelle 12 - Außenecke Ergebnis – Argos .................................................................................. - 47 Tabelle 13 – Außenecke Ergebnis – Psi-Therm ........................................................................... - 48 Tabelle 14 - Außenecke - Ergebniszusammenstellung ................................................................ - 49 Tabelle 15 - Sockelanschluss - Materialien ................................................................................. - 51 Tabelle 16 - Sockelanschluss Ergebnis – Therm.......................................................................... - 52 Tabelle 17 - Sockelanschluss Ergebnis – WinIso ......................................................................... - 53 Tabelle 18 - Sockelanschluss Ergebnis – Flixo ............................................................................ - 54 Tabelle 19 - Sockelanschluss Ergebnis – Argos ........................................................................... - 55 Tabelle 20 - Sockelanschluss Ergebnis – Psi-Therm .................................................................... - 56 Tabelle 21 - Sockelanschluss - Ergebniszusammenstellung......................................................... - 57 Tabelle 22 - Traufanschluss – Materialien .................................................................................. - 59 Tabelle 23 - Traufanschluss Ergebnis – Therm ........................................................................... - 59 Tabelle 24 - Traufanschluss Ergebnis – WinIso........................................................................... - 60 Tabelle 25 - Traufanschluss Ergebnis – Flixo.............................................................................. - 61 Tabelle 26 - Traufanschluss Ergebnis – Argos ............................................................................ - 61 Tabelle 27 - Traufanschluss Ergebnis – Psi-Therm...................................................................... - 61 Tabelle 28 - Traufanschluss - Ergebniszusammenstellung .......................................................... - 62 Tabelle 29 - Rollladenkasten - Materialien ................................................................................. - 64 Tabelle 30 - Rollladenkasten Ergebnis – Therm ......................................................................... - 65 Tabelle 31 - Rollladenkasten Ergebnis – WinIso ......................................................................... - 66 Tabelle 32 - Rollladenkasten Ergebnis – Flixo ............................................................................ - 66 Tabelle 33 - Rollladenkasten Ergebnis – Argos ........................................................................... - 67 Tabelle 34 - Rollladenkasten Ergebnis – Flixo ............................................................................ - 67 Tabelle 35 - Rollladenkasten - Ergebniszusammenstellung......................................................... - 67 Tabelle 36 - Bewertungsskala .................................................................................................... - 69 Tabelle 37 - Bewertung der mittleren Abweichungen ................................................................. - 72 Tabelle 38 - Ergebnisse aller Programme und Anschlussdetails ........................................................ B
Tabelle 39 - Endbewertung .............................................................................................................. C
vii
Abkürzungsverzeichnis
Abw.
bspw.
bzgl.
bzw.
EnEV
etc.
FDM
FEM
ggf.
Hrsg.
mittl.
r.L.f.
S.
u.a.
ungest.
usw.
vgl.
WDVS
z.B.
Zeitaufw.
Abweichung
beispielsweise
bezüglich
beziehungsweise
Energieeinsparverordnung (2009)
et cetera
Finite Differenzen Methode
Finite Elemente Methode
gegebenenfalls
Herausgeber
mittlere
relative Luftfeuchtigkeit
Seite
unter anderem
ungestört
und so weiter
vergleiche
Wärmedämmverbundsystem
zum Beispiel
Zeitaufwand
viii
1
Aufgabenstellung und Absichten der Thesis
Diese Bachelor Thesis befasst sich mit Software zur stationären, zweidimensionalen
Wärmebrückensimulation. Verschiedene Programme für diesen Zweck sollen verglichen werden.
Da moderne Gebäude immer hochwertiger gedämmt werden, fallen Wärmebrücken prozentual
stärker in das Gewicht der Energiebilanzen, als früher. Deshalb ist eine genaue Betrachtung und
Bestimmung dieser zusätzlichen Wärmeströme von immer größerer Bedeutung.
Standards von KfW-Effizienzhaus 55, 40 oder Passivhaus sind beispielsweise nur mit genauen
Nachweisen der Wärmebrücken zu erreichen, denn pauschale Zuschläge der DIN 4108-6 bzw.
18599 sind zu hoch angesetzt für diese Gebäudetypen.
Auszug aus der Aufgabenstellung:
-
Vorstellung Nachweis- und Berechnungsverfahren von Wärmebrücken
Prinzipielles Vorgehen
Bewertungskriterien definieren
Validierung der Programme mit Prüfreferenzfällen
Bewertung der Programme anhand der vorher erarbeiteten Kriterien
Erstellen Einer Tabelle, die alle Bewertungen beinhaltet
Nach einer Einleitung, die sich mit Wärmebrücken im Allgemeinen befasst und diese vorstellt, wird
beschrieben, wie diese prinzipiell nach DIN EN ISO 10211 zu berechnen sind.
Vor Validierung durch die in der Norm gegebenen Prüfreferenzfälle, wird die Software der
verschiedenen Entwickler kurz vorgestellt und die Umstände des Einarbeitens beschrieben.
Anschließend folgen Berechnungen der vier gegebenen Anschlussdetails mithilfe der einzelnen
Programme zusammenhängend mit der Vorstellung erzielter Werte.
Eine Analyse der Ergebnisse aus den Simulationen, die Zusammenstellung der Bewertungen von
vorher aufgestellten Kriterien und das Fazit bilden den Abschluss dieser Bachelor Thesis.
Wie zuvor festgestellt, wird die detaillierte Wärmebrückenberechnung in Zukunft immer wichtiger.
Deshalb soll in dieser Arbeit geprüft werden, in welchen Beziehungen sich die verschiedenen
Softwares zur stationären, zweidimensionalen Simulation, die momentan auf dem Markt angeboten
werden, unterscheiden und welche Ergebnisse diese in wie viel Zeit bezogen auf Arbeitsaufwand
liefern. Die verschiedenen Programme sollen an erarbeiteten Bewertungskriterien gemessen und
verglichen werden, um eine Bewertung in Bezug auf Wärmebrückensimulation zu zulassen.
1
2
Themeneinführung
2.1. Definition
Ein Gebäude ist eine wärmetechnische Einheit, in der konstruktionsbedingt an unterschiedlichen
Stellen unterschiedliche Wärmeströme fließen. Stellen mit höherem Wärmestrom, als der reguläre
Wandaufbau, werden Wärmebrücken genannt. Physikalisch gesehen sind es Orte, an denen die
Wärmestromlinien nicht parallel, sondern verzerrt bzw. kurvig, verglichen mit regulären Bauteilen
verlaufen.
Wie in Abbildung 1 1 zu erkennen ist, gibt es eine Reihe an möglichen Stellen innerhalb eines
Gebäudes an denen ein erhöhter Wärmestrom vorherrschen kann. Meist handelt es sich um
Anschlussdetails oder Verbindungen, an denen verschiedenen Arten von Bauteilen bzw.
Bauteilkomponenten aufeinander treffen (z.B. transparente Komponenten an der Außenwand).
Aber auch Durchstöße von Wand oder Dach werden als solche thermische Schwachstellen
betrachtet.
Abbildung 1 – Beispiele für Stellen, an denen Wärmebrücken auftreten können
DIN EN ISO 10211 definiert eine Wärmebrücke wie folgt:
„Wärmebrücke - Teil der Gebäudehülle, wo der ansonsten gleichförmige Wärmedurchlasswiderstand
signifikant verändert wird durch:

eine vollständige oder teilweise Durchdringung der Gebäudehülle durch Baustoffe mit
unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit und/oder

eine Änderung der Dicke der Bauteile und/oder

eine unterschiedlich große Differenz zwischen Innen- und Außenfläche, wie sie bei Wand-,
2
Fußböden und Decken-Anschlüssen auftritt“
1
Feist, Wolfgang; Born, Rolf; Hessisches Ministerium für Umwelt (2012): „Wärmebrücken – Ursachen und
Auswirkungen“ Informationsbroschüre für Endverbraucher, Wiesbaden, S.7
2
DIN EN ISO 10211 – 3.1.1
2
2.2. Arten von Wärmebrücken
Wärmebrücken unterteilen sich in drei Arten: konstruktive, geometrische und stoffliche/materialbedingte.
In der Realität besteht zwischen der konstruktiven und der stofflich/materialbedingten
Wärmebrücke kein großer Unterschied, denn beide Arten verursachen einen größeren Wärmestrom
durch die selbe Ursache: Der Wechsel von Wärmeleitfähigkeiten unterschiedlicher Baustoffe
innerhalb eines Bauteils bzw. mehrerer angrenzender Bauteile. Konstruktive Wärmebrücken können
zusätzlich zu den Einflüssen aus Materialwechsel auch geometrische Einflüsse erfahren. Sie sind
also vereinzelt auch als eine Mischung aus zwei Arten zu verstehen.
Ob der Wechsel der Leitfähigkeiten an den Bauteilen durch konstruktive (z.B. statische,
zweckgebundene) oder stoffliche Gründe hervorgerufen wird, ist technisch betrachtet irrelevant.
Im Rahmen dieser Arbeit werden daher die reinen Formen der geometrischen und der
stofflichen/materialbedingten Wärmebrücke vorgestellt.
Physikalisch gesehen lassen sich Wärmebrücken in zwei Gruppen unterteilen:

Höherer Wärmestrom wird durch einen Wechsel verschiedener Wärmeleitfähigkeiten
innerhalb eines Bauteiles hervorgerufen.

Höherer Wärmestrom resultiert aus einer höheren Außenoberfläche verglichen mit der
inneren Bauteiloberfläche.
Meistens ist eine bestimmte Art von Wärmebrücke nicht einzeln anzutreffen, denn der häufigste Fall
in der Praxis ist, dass sich eine Wärmebrücke aus der gegebenen Geometrie und dem Wechsel des
Materials zusammensetzt. Somit resultiert der höhere Wärmestrom aus diesen zwei Komponenten.
Hierdurch kann bei dem Großteil der Stellen mit erhöhter Wärmestromdichte nicht von einer reinen
geometrischen oder materialbedingten Wärmebrücke ausgegangen werden.
Spricht man von Wärmebrücken konstruktiver Art, ist meist eine Mischung aus den beiden oben
genannten Typen thermischer Schwachstellen gemeint.
Mitunter wird in der Fachliteratur die „konvektive Wärmebrücke“ oder auch „ausführungsbedingte
Wärmebrücke“ als eine eigene Art von Wärmebrücken aufgeführt.
Zum Beispiel ist diese konvektive Art in einem Begleitheft zur EnEV 2009 als Verletzungen der
Dampfsperre oder der Luftdichtheitsschicht entstandenen Leckagen3 definiert, bei denen es zu
ungewollten Wärmeverlusten durch Konvektion kommt.
Nach Ansicht des Verfassers, handelt es sich hierbei jedoch nicht um eine Wärmebrücke im
klassischen Sinne, sondern um Ausführungs- bzw. Planungsfehler in Anschlussbereichen.
Sobald eine Stelle in einer Gebäudehülle einen Konvektionsstrom aufweist, kann nicht mehr von
einer kalkulierbaren bzw. einzuplanenden Wärmebrücke gesprochen werden.
Ferner schließt die Definition von Wärmebrücken unter Punkt 2.1 eine Luftkonvektion nicht ein.
Daher sollte man hier von vermeidbaren Fehlern in der Gebäudeplanung sowie Ausführung reden,
denn Wärmebrücken sind vorhersehbar, planbar und somit auch zu minimieren.
3
Gierga, Michael (2010): „EnEV 2009 – Energieeinspar-Verordnung – Leitfaden für Wohngebäude“ Arbeitsgemeinschaft
Mauerziegel e.V., Bonn, S. 28
3
2.2.1
Stoffliche/materialbedingte Wärmebrücken
Stoffliche Wärmebrücken entstehen, wenn Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit an Baustoffe
mit geringerer Wärmeleitfähigkeit grenzen.
Anhand des Wärmebildkamerabildes in Abbildung 2 4 ist zu erkennen, dass die Temperaturen
außen an den im Mauerwerk integrierten Stahlträgern relativ zu den an der regulären
Gebäudehülle herrschenden Temperaturen viel höher sind.
Diese Schwachstelle innerhalb des Bauteils Wand besitzt eine höhere Wärmeleitfähigkeit und somit
herrscht dort ein größerer Wärmestrom vor.
Abbildung 2 – Thermografische Aufnahme einer materialbedingten Wärmebrücke
Ähnliche Effekte mit zusätzlichem geometrischem Einfluss sind auch z.B. an einer Auflagerung einer
Decke auf Mauerwerk oder wie in Abbildung 3 5 an einer Balkoneinspannung festzustellen.
Abbildung 3 – Thermografische Aufnahme konstruktive Wärmebrücke
4
Herbert, Carsten; ENERGIE & HAUS (2013): Wärmebrückenportal.
http://www.waermebrueckenportal.de/images/stories/Bild2-t.jpeg (23.07.2013)
5
http://www.waermebrueckenportal.de/images/stories/wb-balkone-Schock6759.jpg(23.07.2013)
4
2.2.2
Die geometrische Wärmebrücke
Bauteile, die außen eine größere, kältere Oberfläche als innen aufweisen, nennt man geometrische
Wärmebrücken.
Durch die im Verhältnis größere Außenfläche relativ zu der regulären Gebäudehülle kann mehr
Wärme aus dem Inneren des Gebäudes abgeführt werden. Allgemein handelt es sich um eine
Formänderung von zwei aufeinandertreffenden Bauteilen.
Abbildung 5 – Beispiel einer geometrischen Wärmebrücke
Abbildung 4 - Außenecke Thermografie
Beispielsweise stellt eine einfache Ecke einer Außenwand eine geometrische Schwachstelle des
Bauwerks dar. Betrachtet man eine Innenecke (eine sich nach innen kehrende Gebäudeecke) hat
diese eine größere Oberfläche innen als außen und weist somit eine kleinere Wärmestromdichte als
der reguläre Wandaufbau auf.
Anhand von Abbildung 5 6, kann man erkennen, dass der Wärmestrom, anders als bei einem
Regelbauteil, wie zum Beispiel einer Wand, verläuft.
Geometrische Wärmebrücken wirken sich in ihren Effekten nicht nennenswert auf die Gesamtbilanz
eines Gebäudes aus und sollen laut Passivhausinstitut „…bei ansonsten guter Planung nahezu
7
unbedeutend“ sein. „Der Wärmeverlust über
, berechnet mit der Außenoberfläche als
Bezugsfläche, ist in der Regel höher als der mehrdimensionale Wärmestrom inkl. aller
Wärmebrückeneffekte.“ 8
In Abbildung 4 ist die Auswirkung einer geometrischen Wärmebrücke anhand eines im Wohnraum
aufgenommenen Thermografiebildes zu erkennen. Gemäß der Skala beträgt die Raumtemperatur
etwa 20°C und die Oberflächentemperatur in der linearen Ecke beider Wände ca. 13°C.
Die Stelle, an der beide Wände und die Decke aufeinander treffen, hat einen höheren Wärmestrom
und weist laut Farbschema eine ungefähre Temperatur von 12°C auf. Wobei die punktförmige,
dreidimensionale Wärmebrücke (vgl. 2.3 – „Dimensionen von Wärmebrücken“) in diesem Falle eine
Schimmelgefahr bedeuten würde, da die Oberflächentemperatur unter 12,6°C liegt (siehe Kapitel
2.5.1).
6
Feist, Wolfgang; Born, Rolf; Hessisches Ministerium für Umwelt (2012): „Wärmebrücken – Ursachen und
Auswirkungen“ Informationsbroschüre für Endverbraucher, Wiesbaden, S.3
7
Siehe Kapitel 3 - Rechnerische Ermittlung zweidimensionaler Wärmebrücken
8
Feist, Wolfgang; Passivhaus Institut (2010): „Protokollband Nr. 16 - Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser Wärmebrückenfreies Konstruieren“ 9. Auflage, Darmstadt, S.1
5
2.3. Dimensionen von Wärmebrücken
Bei Wärmebrücken wird zwischen ein-, zwei und dreidimensionalen Wärmebrücken unterschieden.
Eindimensionale Wärmebrücken
Enthält eine Außenwand verschiedene Materialien mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten,
entstehen eindimensionale Wärmebrücken. Der Wärmestrom wird hier eindimensional genannt, da
er in eine Richtung fließt.
Zweidimensionale Wärmebrücken
Diese werden durch zwei aufeinander treffende Bauteile verursacht. Beispielsweise ist eine
Außenecke eine Wärmebrücke zweiter Dimension, da beide äußere Wände aus zwei
unterschiedlichen Richtungen in einem Punkt aufeinander treffen und der Wärmestrom sich somit
nicht nur in eine Richtung bewegt.
Dreidimensionale Wärmebrücken
Allgemein lässt sich sagen, dass dreidimensionale Wärmebrücken entstehen, wenn drei oder mehr
Bauteile aufeinandertreffen. Dies sind beispielsweise Ecken in einem Gebäude, die sich aus
mindestens drei aufeinanderstoßenden Kanten zusammensetzen.
In dieser Thesis werden ausschließlich zweidimensionale Wärmebrücken simuliert und diskutiert,
da nur diese in die Gesamtbilanz von Gebäuden nach DIN 4108-6 berücksichtigt werden.
6
2.4. Punktförmige und lineare Wärmebrücken
Alle Linien in Abbildung 6 stellen lineare Wärmebrücken dar.
Neben diesen linearen gibt es auch punktuelle Schwachstellen, die sich zum Beispiel durch WDVSBefestigungen und Kabeldurchstöße äußern können oder dort zu finden sind, wo drei oder mehr
Gebäudekanten aufeinander treffen (siehe ebenfalls Abbildung 6).
Sie werden, bezogen auf ihre Dimension zu den dreidimensionalen Wärmebrücken (vgl. 2.3)
gezählt, da beispielsweise ein Wandanker zur Befestigung der Wärmedämmung eine bestimmte
Dicke hat und nicht als Punkt ohne Fläche betrachtet werden kann. Man kann ihn auch in einer
zweidimensionalen Wärmebrückensimulation nicht berücksichtigen. Der Wärmestrom einer solchen
thermischen Schwachstelle weist bei Draufsicht eine radiale Form auf.
Die grünen Zahlen in den gleichfarbigen Kreisen zeigen die linearen, zweidimensionalen
Anschlussdetails, die unter Punkt 7 „Berechnung der Beispieldetails“ simuliert werden.
Im Rahmen der Thesis werden für die Simulationen ausschließlich lineare und nicht punktförmige
Wärmebrücken betrachtet. Denn punktuelle Wärmebrücken resultieren meist aus Durchdringungen
durch die ungestörte Gebäudehülle und diese sind häufig in den Angaben des Herstellers über einen
Wandaufbau in Bezug auf den U-Wert berücksichtigt bzw. müssen mit einem Aufschlag nach DIN
EN ISO 6946 einberechnet werden.
Linearen Wärmebrücken werden prinzipiell innerhalb des Schnitts, der 90 Grad zu ihrer
Ausstreckungsrichtung liegt, simuliert und später mit der Länge multipliziert, um den gesamten
zusätzlichen Wärmestrom zu ermitteln.
Abbildung 6 - Skizze Haus – lineare & punktf. WB
7
2.5. Auswirkungen von Wärmebrücken
Die zwei eigentlichen Effekte einer Wärmebrücke sind eine niedrigere, innere
Oberflächentemperatur und zusätzliche Transmissionswärmeverluste, die beide aus der erhöhten
Wärmestromdichte an dieser Stelle resultieren.
Aus hohem Wärmestrom folgt:

Niedrige Oberflächentemperatur



Tauwasserbildung
o
Schimmelpilzbildung
o
Schädigungen der Materialien
Beeinträchtigung der Behaglichkeit
Zusätzliche Transmissionswärmeverluste
Tiefe Temperaturen an Bauteilinnenoberflächen in Relation zur Raumtemperatur können zu
Tauwasserausfall, eine daraus resultierende Schimmelpilzbildung (auch schon ab 80% r.L.f. siehe
2.5.1) und eine verschlechterte Behaglichkeit (Wärmeabfluss und erhöhte, partielle Feuchtigkeit)
führen.
Zusätzlich lässt sich in Gebäudeecken, die einen höheren Wärmestrom aufweisen, beobachten, dass
sich an diesen Stellen mehr Staub ablagert als an anderen, bzw. nach einiger Zeit sich dunkler
einfärben (ohne zu schimmeln), als die übrige Wand. Dies liegt daran, dass sich dort durch die
höhere relative Luftfeuchtigkeit und die Wechselwirkung von Wasserdipolen mit Staubionen mehr
Staub als an anderen Stellen niederschlägt.9
9
Fischer, Jenisch, Stohrer, Homann, Freymuth, Richter, Häupl (2008): „Lehrbuch der Bauphysik“ 6. Auflage,
Wiesbaden, S.184
8
2.5.1
Schimmelpilzbildung
Durch Schimmelwachstum wird die Wohnhygiene eingeschränkt und die verwendeten
Baumaterialien beschädigt.
Damit sich Schimmel ausbilden kann, müssen folgende Bedingungen gegeben sein: Feuchtigkeit auf
dem Material oder ausreichende Luftfeuchtigkeit, bestimmte Temperaturbedingungen, rauer
Untergrund, Sauerstoff und Nährstoffe. Diese Bedingungen müssen konstant über einen gewissen
Zeitraum vorherrschen.10
Der heutige Wissenstand zeigt, dass Schimmel nicht wie früher angenommen Wasser in flüssiger
Form benötigt, sondern dass es in Form einer relativen Luftfeuchte ab 80% zum Keimen von Sporen
und somit zu einer Schimmelpilzbildung kommen kann. Es muss also nicht zwangsläufig Wasser in
liquider Form (100% Luftfeuchte) vorliegen.
Das Diagramm (Abbildung 7) 11 zeigt anschaulich, welche Voraussetzungen aus Oberflächentemperatur und relativer Luftfeuchtigkeit im Bereich der Wärmebrücke gegeben sein müssen,
damit eine Schimmelpilzbildung einsetzt.
Abbildung 7 - Schimmelpilzbildung - Diagramm
Somit sollte bei Wärmebrückennachweisen darauf geachtet werden, dass die relative
Luftfeuchtigkeit in den kritischen Bereichen unter keinen Umständen über 80% steigt (DIN 4108-2
in Verbindung mit DIN EN ISO 13788).
Die Bewertung der Schadensfreiheit durch Schimmelbildung erfolgt nach DIN 4108-2 unter
bestimmten Randbedingungen: Die Raumtemperatur beträgt 20°C und die relativen Luftfeuchte des
Raumes 50%. Unter gegebenen Umständen muss die Oberflächentemperatur an der thermischen
Schwachstelle bei über 12,6°C liegen, damit gewährleistet ist, dass die relative Luftfeuchtigkeit an
dieser Stelle nicht auf 80% steigt - kurz der fRsi Wert (Temperaturfaktor an der Wärmebrücke) 0,7
unterschreitet12:
10
Fischer, Jenisch, Stohrer, Homann, Freymuth, Richter, Häupl (2008): „Lehrbuch der Bauphysik“ 6. Auflage,
Wiesbaden, S.183
11
http://www.speidel.info/uploads/pics/s001.jpg (07.08.2013)
12
DIN 4108-2 – 6.2.3
9
(vgl. 3.3 Bauteiloberflächentemperaturen)
Mit:
θsi
θi
θe
Temperatur an innerer Oberfläche
Temperatur der Raumluft [°C]
Temperatur der Außenluft [°C]
Somit ist man angehalten, aufgrund möglicher Schimmelpilzbildung die Oberflächentemperatur an
Wärmebrücken bei den üblichen stationären Bedingungen (
über 12,6 °C zu
halten.
2.5.2
Erhöhte Transmissionswärmeverluste
Eine weitere Auswirkung von Wärmebrücken im Hausbau ist die Summe aller Schwachstellen, die
durch erhöhte Transmissionswärmeverluste die Gesamtbilanz des Heizwärmebedarfs beeinflussen.
Wieso der Nachweis der Wärmebrücken in Bezug auf diese Thematik von so großer Bedeutung ist,
wird unter Punkt 2.7 umfassender erläutert.
10
2.6. Lokalisierung von Wärmebrücken
Wärmebrücken können an vielen verschiedenen Stellen in einem Haus vorhanden sein. Deshalb ist
es sehr wichtig vor Beginn der Simulation zu wissen, wo sich genau diese Schwachstellen befinden
und dass wirklich alle berücksichtigt werden. Auf der Website KFW-Förderbank findet sich die
Broschüre der DENA zu „Wärmebrücken in der Bestandssanierung“ 13 im PDF-Format mit folgender
Aufstellung von möglichen Stellen, an denen höhere Wärmeströme auftreten können:
Abbildung 8 - Seitenschnitt eines Wohnhauses
Abbildung 9 - Grundriss eines Stockwerks
Abbildung 10 - Grundriss des Kellers
1
1.01
1.02
1.03
Bodenplatte Keller
Anschluss Kellerwand
Anschluss Innenwand
Anschluss Innenwand gegen unbeheizt
2
2.01
Bodenplatte auf Erdreich
Sockel, Anschluss Außenwand
3
3.01
3.02
3.03
3.04
Kellerwand
Außenecke
Innenecke
Anschluss Innenwand
4
4.01
4.02
4.03
4.04
4.05
4.06
4.07
Kellerdecke
Auflager, Keller beheizt
Auflager, Keller unbeheizt
Auflager Kellerfenster, Keller unbeheizt
Auflager Anschluss Bodenplatte, Keller beheizt
Auflager Anschluss Bodenplatte, Keller unbeheizt
Anschluss Innenwand
5
5.01
5.02
5.03
5.04
Außenwand
Außenecke
Innenecke
Anschluss Innenwand
Innenecke mit Innenwandanschluss
6
6.01
6.02
6.03
Geschossdecke
Deckenauflager
Balkonplatte
Anschluss Flachdach
7
7.01
7.02
7.03
7.04
7.05
7.06
7.07
Oberste Geschossdecke
Deckenauflager
Deckenauflager im Traufbereich
Durchstoßende Innenwand
Durchstoßende Innenwand gegen unbeheizt
Anschluss Innenwand an Kehlbalkenlage
Anschluss Außenwand
8
8.01
8.02
8.03
8.04
Dach
Traufe
Traufe mit Kniestock
Ortgang
Mittelpfette, Anschluss Kehlbalkenlage
9
9.01
Flachdach
Attika
10
10.01
Innenwand
Innenwandanschluss gegen unbeheizt
11
11.01
11.02
11.03
11.04
11.05
11.06
11.07
Fenster
Fenstertürschwelle gegen Kellerdecke unbeheizt
Fenstertürschwelle Balkon
Fenstertürschwelle Flachdach
Brüstung
Laibung
Sturz
Sturz mit Rolladenkasten
13
Deutsche Energie-Agentur (2008): Wärmebrücken in der Bestandssanierung. https://www.kfw.de/inlandsfoerderung
/Dokumente/PB/Bestandsimmobilien/ Leitfaden-W%C3%A4rmebruecken-in-der-Bestandssanierung.pdf(20.08.2013)
11
Bei der Lokalisierung von Wärmebrücken ist es sinnvoll, gleiche bzw. immer wieder vorkommende
Anschlussdetails, die eine Wärmebrücke darstellen, zusammenzufassen.
Um den Gesamteinfluss aller Wärmebrücken in der Einheit Watt zu erhalten, ist der lineare
Wärmebrückenverlustkoeffizient (vgl. 3.2) mit der Summe der Längen verschiedener
Wärmebrücken zu multiplizieren.
Mehr hierzu unter: 2.7 - Notwendigkeit der Nachweisführung
und
3 - Rechnerische Ermittlung zweidimensionaler Wärmebrücken
2.7. Notwendigkeit der Nachweisführung
Wieso die genaue Bestimmung der zusätzlichen Wärmeströme von so großer Bedeutung ist, wird in
diesem Abschnitt genauer erläutert.
Eine präzise Betrachtung ist sinnvoll, da die Gebäudehülle in einem modernen Haus so optimal
gedämmt ist, also einen so niedrigen Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) aufweist, dass
Wärmebrücken innerhalb dieser Hülle viel gravierender, prozentual höher ins Gewicht der
Wärmebilanz fallen als bei Häusern mit bauphysikalisch minderwertigeren Wänden, Decken und
Dächern (siehe folgende Beispiele in 2.7.1).
Die Kenntnis über die Größe des Wärmestroms an den Wärmebrücken ist wichtig, um den
Heizwärmebedarf möglichst genau zu ermitteln. Auch die Oberflächentemperaturen an diesen
Stellen muss man kennen, damit eingeschätzt werden kann, ob an diesen Orten Tauwasser
ausfallen bzw. Schimmel entstehen könnte.
2.7.1
Wärmebrückenberücksichtigung in der EnEV 2009
Es gibt drei verschiedene Verfahren, um Wärmebrücken in einem EnEV Nachweis zu
berücksichtigen:
a) Pauschaler Zuschlag des U-Wertes
b) Nach DIN 4108 Beiblatt 2
c) Detaillierte Simulation
a) Pauschaler Zuschlag des U-Werts
Mit der Nichtberücksichtigung der Wärmebrücken im Detail muss laut DIN 4108-6 ein pauschaler
Betrag von ΔUWB = 0,10 W/(m²·K) auf den U-Wert aller Bauteile aufgeschlagen werden. Deshalb
fällt eine solche Nichtbeachtung der detaillierten Wärmebrücken insbesondere bei hohem
Dämmstandard signifikant ins Gewicht und zu Lasten des errechneten Heizwärmebedarfs.
Beispiele 1 und 2 verdeutlichen diesen Umstand.
Beispiel 1 – Niedriger Dämmstandard
UAW = 1,40
+ΔUWB = 0,10
1,50
Mit:
UAW –
ΔUWB –
- entspricht einem Plus von 7,1%
Wärmedurchgangskoeffizient der Außenwand
Zusätzlicher Wärmebrückenzuschlag des Wärmedurchgangskoeffizienten
12
Beispiel 2 – Hoher Dämmstandard
UAW = 0,18
+ΔUWB = 0,10
0,28
b) Nach DIN 4108 Beiblatt 2
Bei Ausführung entsprechend der Vorgaben in DIN 4108 Beiblatt 2, darf ein ΔUWB = 0,05
für den Wärmebrückenzuschlag angesetzt werden.14 Die Anschlussdetails müssen
mindestens der Güte der in dem Beiblatt gezeigten Ausführungen entsprechen.
Der Analyse- und Rechenaufwand dieses Verfahrens ist zwar geringer als eine Simulation mit dem
Computer, jedoch sollte die aufgebrachte Arbeitszeit hierfür nicht unter- und die Genauigkeit des zu
erwartenden Ergebnisses nicht überschätzt werden.
Beispiel 3 – Niedriger Dämmstandard
UAW = 1,40
+ΔUWB = 0,05
1,45
Beispiel 4 – Hoher Dämmstandard
UAW = 0,18
+ΔUWB = 0,05
0,23
Anhand von Beispiel 3 und 4 wird deutlich, dass dieses Verfahren bei hohem Dämmstandard einen
Aufschlag des U–Wertes um mehr als ein Viertel bedeuten würde, jedoch für ein Gebäude mit
niedrigem Dämmstandard nur 3,6%.
c) Detaillierte Simulation mit Hilfe eines Computerprogramms
Die Werte, die in der genauen Berechnung von Wärmebrücken mit Hilfe des Computers ermittelt
werden, können mit den errechneten Ergebnissen der Wärmeverluste über die reguläre Hüllfläche
in den EnEV-Nachweis einfließen. Dies bedeutet, dass in den meisten Fällen ein insgesamt viel
geringerer, wirklichkeitsnäherer Wert als bei Variante a und b mit den vorgeschriebenen
Pauschalwerten angesetzt werden darf. Der wesentliche Vorteil einer genauen Simulation ist also
die relativ präzise Bestimmung der zu erwartenden Energieverluste an den Schwachstellen in der
Gebäudehülle. Es kann also ein realistischeres Ergebnis als bei den anderen zwei Varianten erzielt
werden.
Beispiele 1 bis 4 haben deutlich gezeigt, dass eine nicht detaillierte Wärmebrückenberücksichtigung
bei modernen Gebäuden keinen Sinn macht, da sich die Gebäudehülle fiktiv um über die Hälfte
energetisch verschlechtern kann.
Meist ist es eine Frage der Kosten, ob Variante a, b oder c von dem jeweiligen Planer gewählt wird,
denn auch in selbiger Reihenfolge steigt der Kostenaufwand der Berechnung an.
Misst man dem ersten „Verfahren“ mit Vernachlässigung der Ermittlung von Wärmebrücken null
Arbeitsstunden und somit keine Kosten in der Wärmebrückenplanung bei, kann dadurch die
14
Nach DIN 4108-6
13
theoretische Gesamtbilanz des Gebäudes einen höheren Heizwärmebedarf als tatsächlich vorhanden
aufweisen. Dadurch entstehen weitere Kosten in der Ausführung bzw. bei den zusätzlich benötigten
Baustoffen.
Somit muss im Bau durch Kompensation von z.B. stärker gedämmten Wänden dieser im Vergleich
schlechtere Wärmedurchgangskoeffizient (Uges = U + ΔU) der Hülle ausgeglichen werden. Dies
bringt auch mit sich, dass der tatsächliche Energiebedarf des Gebäudes nicht realistisch bestimmt
werden kann. Andererseits wird ein effektiv energetisch hochwertigeres Gebäude gebaut, als eines
mit genau bilanzierten Wärmeverlusten an den Wärmebrücken. Denn dass der zusätzliche Wert von
0,10
bezogen auf die gesamte Gebäudehülle durch nicht simulierte Wärmebrücken
effektiv erreicht wird, ist heutzutage eher realitätsfern.
Geht man also gezielt auf Wärmebrücken ein und berechnet diese, kann beispielsweise eine etwas
dünnere Dämmung angesetzt werden, um die Gesamtbilanz des Gebäudes im vorgegebenen oder
selbst gewählten Rahmen zu halten.
Somit wird die detaillierte Nachweisführung von Wärmebrücken in Zukunft aus Effizienzgründen
immer wichtiger und stellt bereits heute eine Möglichkeit dar, die Wirtschaftlichkeit von
Neubauvorhaben zu erhöhen.
Laut DIN 4108-6 wird der detaillierte Energieverlust durch Wärmebrücken wie folgt einberechnet:
mit
li
Ai
-
linearen Wärmebrückenverlustkoeffizient
Länge der Wärmebrücke [m]
wärmetauschende Hüllfläche [m²]
Wie zuvor schon gezeigt, wird
anschließend zu dem gesamten U-Wert des Gebäudes addiert
und somit fließen die Wärmebrückeneffekte in die Gesamtbilanz eines Bauwerks ein.
2.7.2
Wärmebrückenkataloge
Statt einer Simulation individueller Anschlussdetails darf man bei Erstellen einer
Gebäudebilanzierung auch Wärmebrückenkataloge verwenden. Dieses Verfahren kann als Ersatz
einer detaillierten Simulation dienen und in den gesamten Heizwärmebedarf mit Hilfe schon
vorgefertigter Wärmebrückenverlustkoeffizienten ( -Werte), die mit der Länge multipliziert und
durch die relevante Fläche geteilt werden, einfließen.
Kataloge mit vorgegebenen Beispieldetails gibt es von verschiedenen Firmen. Kostenlose
Wärmebrückenkataloge werden meist von Baustoffherstellern speziell und ausschließlich für deren
Baustoffe zur Verfügung gestellt. Jedoch werden auch kostenpflichtige Kataloge bzw. Datenbanken
häufig in Verbindung mit Energieberatungssoftware angeboten. 15
Abbildung 11 16 zeigt einen Ausschnitt aus dem kostenlosen Wärmebrückenkatalog der Firma
Kalksandstein. Aus der gewählten Dicke der Kellerdeckendämmung und der der
Außenwanddämmung bestimmt man aus der Tabelle den –Wert (3.2) mit Außenmaßbezug17.
15
http://www.waermebrueckenportal.de/index.php?option=com_content&view=article&id=9&Itemid=10 (23.07.2013)
16
Bundesverband Kalksandsteinindustrie eV (2011): Kalksandstein Wärmebrückenkatalog.
http://www.ks-original.de/uploads/live/downloads/files/35/waermebrueckenkatalog.pdf (26.07.2013)
17
Siehe 3.4 - Innen- und Außenmaßbezug
14
Abbildung 11 - Auszug Wärmebrückenkatalog Kalksandstein
2.8. Inhalt der DIN EN ISO 10211 – Wärmebrücken im Hochbau
Diese DIN Norm enthält in Bezug auf eine zweidimensionale Wärmebrückenberechnung
Begriffserklärungen, Regeln für Bemaßung von Schnittmodellen, geometrische Vereinfachungen,
Anwendung von verschiedenen Randbedingungen (weiterführender in DIN 4108 Beiblatt 2), sowie
Formeln zur Berechnung des L2D–Wertes, Wärmestroms, längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten (auch linearer Wärmebrückenverlustkoeffizient) und Oberflächentemperaturen.
Außerdem befinden sich zwei Prüfreferenzfälle für 2D-Simulationssoftware im Anhang A dieser
Norm, über diese mehr in Kapitel 6 – „Validierung der Software durch Prüfreferenzfälle nach DIN
EN ISO 10211“ zu finden ist.
15
3
Rechnerische Ermittlung zweidimensionaler Wärmebrücken
3.1. Allgemeine Grundlagen
Um verstehen zu können, wie ein Computerprogramm zur Wärmebrückensimulation funktioniert,
ist es notwendig zu wissen, wie Wärmebrücken prinzipiell berechnet werden. Es wird von
stationären
Bedingungen
ausgegangen.
Dies
bedeutet,
es
liegen
gleichbleibende
Temperaturzustände auf der Bauteil Innen- und Außenseite vor. Der für die Simulation wesentliche
Ergebnisparameter (Vergleichsparameter) ist der lineare Wärmebrückenverlustkoeffizient.
DIN EN ISO 10211 definiert die Berechnung von Wärmebrücken wie folgt:
Linearer Wärmebrückenverlustkoeffizient
Weitere wesentliche Parameter sind:
Wärmestrom
Thermischer Leitwert im gestörten Bereich
L2D
Thermischer Leitwert im ungestörten Bereich
L0
Errechneter Wärmedurchgangskoeffizient der Wärmebrücke
UWB
Die Relationen der oben vorgestellten Variablen gestalten sich wie folgt 18:
Formel 1.1
Mit:
–
Wärmedurchgangskoeffizient des jeweiligen Bauteils
–
Länge des jeweiligen Bauteils im Modell
Formel 1.2
Mit:
l
–
Länge der Wärmebrücke
–
Temperatur Innen
–
Temperatur Außen
Formel 1.3
18
DIN EN ISO 10211, S.31
16
3.2. Der Lineare Wärmebrückenverlustkoeffizient
Der lineare Wärmebrückenverlustkoeffizient
stellt einen Wärmestrom pro Kelvin
Temperaturunterschied dar. Er beschreibt, wie stark sich der Wärmestrom verändert, wenn sich die
Temperatur um ein Kelvin ändert und ist das zentrale Ergebnis, das mit einer Simulation erreicht
werden soll.
Möchte man die Auswirkungsreichweite einer Wärmebrücken beschreiben, betrachtet man meist
diesen zusätzlichen Wärmestrom , welcher in Watt pro Meter und Kelvin
definiert
wird.
Definition nach DIN ISO 10211
“3.1.19
längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient
Quotient aus Wärmestrom im stationären Zustand und dem Produkt aus Länge und
Temperaturdifferenz zwischen den Umgebungstemperaturen auf jeder Seite der Wärmebrücke
ANMERKUNG Der längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizient ist eine Größe, die den Einfluss
einer längenbezogenen Wärmebrücke auf den Gesamt-Wärmestrom beschreibt. 19 ”
Qualitäten von verschiedenen Wärmebrücken können nicht durch eine alleinige Betrachtung von
bewertet werden. Ein Vergleich unterschiedlicher Anschlussdetails untereinander anhand dieser
mathematischen Größe ist nicht möglich. Dies liegt an verschiedenen Maßbezügen, geometrischen
Einflüssen und Konstruktion.
Somit kann
allein etwas über gleiche Details unterschiedlicher Ausführung aussagen und nur
bedingt Merkmal für Ausführungsqualität sein.
3.3. Bauteiloberflächentemperaturen
Da Wärmebrücken auf der einen Seite zu zusätzlichen Wärmeverlusten führen, damit auch zu
niedrigeren Oberflächentemperaturen im Inneren, gibt es zwei verschiedene Kenngrößen: den
Temperaturfaktor fRSI [-], um die Oberflächentemperatur bewerten zu können und den
Wärmebrückenverlustkoeffizient
, damit man die gesamten Wärmeverluste der
thermischen Schwachstelle berechnen kann.20
Die
detaillierte Beschreibung der Berechnung befindet sich unter 11.1 Berechnung der
Oberflächentemperaturen im Anhang.
19
DIN EN ISO 10211, S.11
20
Volland, Johannes; Pils, Michael; Skora, Timo (2012): „Wärmebrücken – erkennen, optimieren, berechnen,
vermeiden“, 1. Auflage, Regensburg, S. 14
17
3.4. Innen- und Außenmaßbezug
Es gibt zwei Möglichkeiten, eine Wärmebrücke zu bemaßen: Innenmaß und Außenmaß. Mit diesen
Maßen und deren gegenseitigen Bezügen lassen sich Wärmebrücken berechnen. Von der Wahl des
Innen- oder Außenmaßbezugs hängt stark ab, welches Ergebnis man beim Bestimmen des -Werts
erhält.
Laut EnEV 2009 muss einheitlich mit Außenmaßbezug gearbeitet werden, um einen einheitlichen
Standard zu haben und eine einfache Flächenermittlung zu ermöglichen.
Dies gestattet, Ergebnisse vergleichbar zu machen.
Ein Auszug aus der Energieeinsparverordnung 2009:
“1.3 Definition der Bezugsgrößen
1.3.1 Die wärmeübertragende Umfassungsfläche A eines Wohngebäudes in m² ist nach Anhang B der
DIN EN ISO 13789 : 1999-10, Fall „Außenabmessung”, zu ermitteln. Die zu berücksichtigenden
Flächen sind die äußere Begrenzung einer abgeschlossenen beheizten Zone.” 21
Dies bedeutet, dass auch die Wärmebrücken, d.h. die zusätzlichen Wärmeverluste über das
Außenmaß, zu ermitteln sind. Arbeitet man mit äußeren Maßen, dann nimmt
meist einen
negativen Wert an, da nach Formel 1.1 ein zu hoher L0–Wert (Verluststrom über die reguläre
Gebäudehülle) angenommen und dieser von L2D (Verlust über Wärmebrücke) abgezogen wird.
Dies bedeutet, dass die wärmeübertragenden Flächen größer angenommen werden, als sie
tatsächlich sind.22
Abbildung 12 23 zeigt die Bemaßung einer Wärmebrücke mit Außenmaßbezug (blau) und die in
Relation zum Innenmaßbezug (rot) zusätzlich berücksichtigen Flächen.
Abbildung 12 - Innen- und Außenmaßbezug - Beispiel Außenecke
Als Rechenbeispiel, um diesen Sachverhalt zu verdeutlichen, dient die Rechnung des ersten
Anschlussdetails in Therm unter Punkt 7.1.1 .
21
Kwapich, Thomas; Lukas, Henri; Deutsche Energie-Agentur GmbH (2009): „EnEV kompakt.“ 1. Auflage, Berlin,
Punkt 1.3.1
22
vermeiden“ 1. Auflage, Regensburg, S.34
23
Grafik aus Volland, Johannes; Pils, Michael; Skora, Timo (2012): „Wärmebrücken – erkennen, optimieren,
berechnen, vermeiden“ 1. Auflage, Regensburg, S.34 - Abb. 1.23
18
3.5. Die Numerische Methode der finiten Elemente zur Simulation von Wärmebrücken
Um Wärmeströme in komplexen Wärmebrückendetails simulieren zu können, muss auf numerische
Näherungsverfahren wie die Methode der finiten Elemente (FEM) zurückgegriffen werden. Diese
Methode wird für die Simulation von Wärmebrücken am häufigsten verwendet.
Formel 2.1
–
x,y,z –
Temperatur [K]
Raumkoordinaten [m]
Formel 2.1 ist eine Fourier-Gleichung zur Berechnung von Wärmestromlinien in einem Körper mit
stationären Temperaturbedingungen. Es handelt sich um eine partielle, nicht lineare, homogene
Differentialgleichung zweiter Ordnung. Bei zweidimensionaler Berechnung von Wärmebrücken
kann der letzte Term der Gleichung vernachlässigt werden, da sie eine allgemeine Form für den
dreidimensionalen Fall darstellt.
Durch eine Bilanz der Wärmeströme, in die jede Temperatur der einzelnen Elemente eingeht und
damit zusammenhängend auch die Wärmeleitfähigkeiten, können die Temperaturfelder und die
Isotherme (Linien gleicher Temperatur) erstellt werden.24
Prinzipiell werden bei Methoden zur numerischen Berechnung die Materialfelder eines
Anschlussdetails in kleine Elemente zerlegt und anschließend von Zelle zu Zelle über
Gleichgewichtsbedingungen die Oberflächentemperaturen berechnet.
Damit ermittelt werden kann, wie ein System auf äußere Einwirkungen reagiert, kann es mithilfe
der am FEM in viele kleine Elemente aufgeteilt und die Temperatur so sukzessive von Element zu
Element iteriert werden. Diese Methode wird auch als ein allgemeines Diskretisierungsverfahren für
Kontinuumsprobleme genutzt25.
Im Fall der Wärmebrückensimulation wird das Gesamtsystem in kleine Flächen z.B.: Quadrate,
Rechtecke oder Dreiecke aufgeteilt. In diesem sogenannten FEM-Netz werden Temperaturübergänge von Fläche zu Fläche simuliert und gegebenenfalls in mehreren Durchgängen angepasst.
Dadurch ergeben sich Temperaturfelder, damit verbunden Isotherme und im gesamten System ein
Wärmestrom als Zahlenergebnis.
Abbildung 13 - Temperaturgleichgewicht
innerhalb einer einzelnen Zelle
Abbildung 14 - Thermische Leitung
zwischen verschiedenen Zellen
24
Fischer, Jenisch, Stohrer, Homann, Freymuth, Richter, Häupl (2008): „Lehrbuch der Bauphysik“, 6. Auflage,
Wiesbaden, S.185
25
Gebhardt, Christof (2011): „Praxisbuch FEM mit ANSYS Workbench - Einführung in die lineare und nichtlineare
Mechanik“, München
19
Abbildung 13 26 zeigt, dass die Summe der einströmenden und herausströmenden Wärme (Q)
gleich null ergeben muss, damit ein Temperaturgleichgewicht am Gesamtsystem herrschen kann.
Nach Energieerhaltungssatz:
. Hierbei beschreibt T die Temperatur einer einzelnen Zelle.
Anhand von Abbildung 14 27 ist zu erkennen, inwiefern die einzelnen Elemente zusammenhängen
und in welcher Abhängigkeit die Wärmeströme zueinander stehen.
26
Abbildung aus: Übelhör, Christian (2003): „Vergleich von Computerprogrammen zur Berechnung von
zweidimensionalen Wärmeströmen“ – Diplomarbeit, Rosenheim, S.69
27
Abbildung aus: Glück, Bernd (2011): Simulationsmodell zweidimensionale Wärmeleitung.
berndglueck.de/dl/?dl=Waermeleitung+Bericht_Waermeleitung.pdf (01.07.2013), S.14
20
4
Vorstellung der Software
Momentan gibt es eine breite Auswahl an verschiedenen Programmen für die
Wärmebrückensimulation. Im Rahmen der Recherche und des Anschreibens von Firmen, wegen der
Lizenzen, stellte sich heraus, dass manche Produkte sehr starke Ähnlichkeiten aufweisen.
Argos Pro (ZUB Kassel), BKI Wärmebrückenplaner (Baukosteninformationszentrum Deutscher
Architekten) und Therm CAD (Rowa Soft) unterscheiden sich nur sehr geringfügig. „FirstInvision“
entwickelte diese Software und nun wird sie unter verschiedenen Namen von unterschiedlichen
Firmen vertrieben.
Die einzelnen Anbieter erweiterten die Anwendung um unterschiedliche Schnittstellen (z.B. zu
EnEV-Werten), veränderten das Design, den Namen, das Logo und die Anwendungsoberfläche.
Es wird von den oben genannten drei Programmen allein Argos Pro betrachtet, da die Firma
FirstInvision dazu riet. Denn ZUB Kassel, der Vertreiber von Argos, hätte den gesamten fachlichen
Beitrag zu diesem Programm geleistet.
Im Rahmen dieser Thesis werden folgende, von den einzelnen Firmen freundlicherweise zur
Verfügung gestellten, Windows-Programme verglichen:
Tabelle 1 - Softwareliste
#
Name
Version
Entwickler
Preis (netto)
1
2
3
4
5
Argos Pro
Flixo Pro
Psi-Therm 2D 2012 Enterprise
Therm 7
WinIso2D (Professional)
6.0.842
7.0.597.1
4.3.1.0
7.1.8
7.62
ZUB Kassel
Infomind
Visionworld
National Laboratory USA
Sommer Informatik
899 €
4400 €
600 €
kostenlos
4200 €
Stand: Juni 2013
Einige Programme sind in verschiedenen Versionen, die sich in den Preisen und damit
zusammenhängend in Funktionen und Rechengenauigkeiten unterscheiden, erhältlich. Für die
Arbeit wurden Lizenzen, wie oben in der Liste dargestellt verwendet, ohne Rücksicht auf nicht
benötigte Funktionen zu nehmen, da eine möglichst hohe Genauigkeit bei den Ergebnissen erzielt
werden soll (z.B. wegen eventuelle Begrenzung der Knoten in preisgünstigeren Ausführungen).
Weitere Software, die laut „waermebrueckenportal.de“ auch auf dem Markt angeboten wird, konnte
nicht für diese Thesis herangezogen werden. Es scheiterte an mangelnder Kooperation der Firmen,
die entweder keinerlei Reaktion auf eine Anfrage der Universität zeigten oder einen
unzureichenden Support anboten, um Software fehlerfrei und mit gültiger Lizenz zum
Funktionieren zu bringen.
Außerdem wurde auch Heat2 der Firma Blocon und Dämmwerk Wärmebrücken des gleichnamigen
Unternehmens zur Verfügung gestellt, konnten aber wegen der fehlenden Funktion des DXFImports nicht für den Softwarevergleich herangezogen werden, da dies eine einheitliche Bewertung
nicht sicherstellt.
21
Chronologische Reihenfolge der getesteten Programme
1)
2)
3)
4)
5)
Therm
WinIso
Flixo
Argos
Psi-Therm
Um eventuell Rückschlüsse und Vergleiche auf Rechenzeiten der einzelnen Programme ziehen zu
können, sind hier wesentliche Charakteristiken des verwendeten Computers aufgelistet:





Betriebssystem:
CPU:
Arbeitsspeicher:
Festplatte:
Grafik:
Windows 7 Professional 64 Bit
Intel Core i3 mit 3,3GHz
4 GB DDR 3
SSD 128 GB
Intel HD 1000 Graphics
4.1. Therm
Tabelle 2 - Eigenschaften - Therm
Firma
National
Laboratory USA
Variante
Version
Preis (netto)
-
7.0.597.1
kostenlos
Internetadresse
http://windows.lbl.gov/
software/therm/therm.html
Therm 7 ist das einzige kostenlose Programm zur Wärmebrückenberechnung und wurde vom
amerikanischen Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) in Kalifornien entwickelt. Das LBNL
ist ein „Labor“ des U.S. Department of Energy (DOE) für wissenschaftliches Forschen.
Das Handbuch und die Software für Windows ist auf Englisch und versteht sich als Freeware für
„building component manufacturers, engineers, educators, students, architects, and others
interested in heat transfer.“28
Es basiert auf der Finiten Elemente Methode und ist für die Wärmestromberechnung von „Fenstern,
Wänden, Gründungen, Dächern und Türen“.
Unter der oben angegebenen Internetadresse kann Therm und das dazu gehörige Handbuch
kostenfrei heruntergeladen werden.
28
Lawrence Berkeley National Laboratory (2013): windows.lbl.gov/software/therm/therm.html (12.06.2013)
22
4.2. WinIso
Tabelle 3 - Eigenschaften - WinIso
Firma
Sommer
Informatik
Variante
Version
Preis (netto)
Professional
7.62
4200 €
Internetadresse
sommerinformatik.de
Sommer Informatik entwickelte das Programm 1995 ursprünglich für Anschlüsse transparenter
Bauteile. Orientiert wurde sich hierbei an der Norm DIN EN ISO 10077-2.
Die Elemente werden auf eine Elementabmessung von 0,01mm x 0,01mm begrenzt und es gibt
Summenbegrenzungen der Knoten in der Standartversion von 500 x 500 (3200 € netto), in der
Vollversion von 2000 x 2000 (4200€ netto) und der für Studentenversion von 200 x 200 (kostenlos
bei begründeter Notwendigkeit). Hinzu kommt eine jährliche Pflegegebühr von 180€, die alle
Updates beinhaltet und es wird eine kostenpflichtige Tagesschulung von 500€ pro Gruppe
empfohlen.
4.3. Flixo
Tabelle 4 - Eigenschaften - Flixo
Firma
Infomind
Variante
Professional
Version
7.0.597.1
Preis (netto)
4400€
Internetadresse
flixo.com
„Flixo Pro“ wird von der Firma Infomind aus Zürich angeboten. Der Preis beträgt 4400€ netto und
beinhaltet unter Anderem Funktionen wie DXF-Import und Editor, Berechnung von Tauwasser und
fRsi Werten. Kostengünstigere und in mehreren Funktionen vereinfachte bzw. vernachlässigte
Varianten stellen „flixino Standard“ (980€ netto, z.B. kein DXF-Import) und „flixino Professional“
(1210€ netto) dar.
4.4. Argos
Tabelle 5 - Eigenschaften - Argos
Firma
ZUB Kassel
Variante
Pro
Version
6.0.842
Preis (netto)
899€
Internetadresse
zub-kassel.de
Vertrieben wird dieses Programm vom „Zentrum für Umweltbewusstes Bauen“ aus Kassel (ZUB
Kassel) für einen Nettopreis von 899€.
Die etwas vereinfachte und kostengünstigere Version des Programms nennt sich Argos Plus. Es kann
weder f-Werte berechnen, Ergebnisse nach Word exportieren noch DXF-Dateien importieren und
kostet 399€ netto.
23
4.5. Psi-Therm
Tabelle 6 - Eigenschaften - Psi-Therm
Firma
Visionworld
Variante
Enterprise
Version
4.3.1.0
Preis (netto)
600€
Internetadresse
psi-therm.de
Der Anbieter von Psi-Therm ist Visionworld und vertreibt verschiedene Varianten der Software: PsiTherm Professional (400€ netto, bspw. nicht mehr als zwei Temperaturbereiche und
eingeschränkte Darstellungsmöglichkeiten, 15.000 Elemente), Psi-Therm Enterprise (600€ netto,
1.000.000 Elemente) und Psi-Therm 3D (900€ netto). Psi-Therm 3D ist unter Anderem auch in der
Lage dreidimensionale Wärmebrücken zu simulieren.
24
5
Einarbeiten in die Software
5.1. Therm
Therm bedarf einiger Zeit und zusätzlicher Literatur, um komplexe Wärmebrückendetails
angemessen simulieren zu können.
Abbildung 15 - Einarbeiten - Therm - Schaltflächen
Die Bedienung der Oberflächen (Abbildung 15) gestaltet sich nicht sonderlich intuitiv, aber nach
einiger Zeit der Übung gestaltet sich Arbeit innerhalb des schlichten Editors zunehmend
angenehmer.
Auffällig gleich zu Beginn ist, dass Therm keine Einstellungen speichert. Stellt man beispielsweise
ein Koordinatengitter und die Fangfunktion ein, sind diese nach Speichern und nochmaligem
Öffnen einer Datei widerrufen. Die Einstellungen sind jedes Mal zu wiederholen.
Abbildung 16 - Einarbeiten - Therm - Koordinaten
Mit Koordinaten am unteren, linken Bildschirmrand (Abbildung 16) können Punkte global
angepasst werden, ohne dass man mit Augenmaß feststellen muss, ob Linien gerade verlaufen.
Jedoch konnte mehrfach festgestellt werden, dass Punkte trotz selber x- bzw. y-Koordinaten eine
sichtbare Differenz bezüglich dieser Achse aufwiesen und schief verlaufende Polygone zwischen
beiden entstanden. Dies lässt vermuten, dass die angezeigten Koordinaten gerundet wurden und
somit nicht den tatsächlichen entsprechen.
Abbildung 17 - Einarbeiten - Therm - Fehlermeldung Überlappungen
25
An Stellen, an denen sich mehrere Polygone treffen, kam es mehrfach zu Komplikationen und
Fehlermeldungen (Abbildung 17), denn für Überschneidungen, seien sie auch noch so klein, bringt
Therm keinerlei Toleranz auf.
Diese übergenaue Handhabung von Seiten der Anwendung kann auf Dauer Zeit und Geduld des
Anwenders beanspruchen. Ganz besonders, wenn nicht klar ist, wo sich eine Überschneidung
befindet und man sie mit der im Detail recht rabiaten Handhabung und geringen Genauigkeit der
Polygonplatzierung nicht ohne weiteres berichtigen kann.
Wird eine CAD-Datei (DXF-Format) eingelesen, müssen Linien mit dem Polygontool nachgezogen
werden. Dies ist aber dank der Fangfunktion mit weniger Aufwand verbunden, als Details von
Anfang an selbst im Editor zu zeichnen. Zudem müssen Rundungen einer DXF-„Schablone“ manuell
in einem Polygonzug dargestellt werden, da Therm diese weder darstellen noch rechnen kann.
Bedauerlicherweise stehen in dieser Anwendung kaum Optionen der Berichterstellung zur
Verfügung. Allein Ansichten (z.B. Temperaturbilder und Isotherme) der Wärmebrücken können
gedruckt werden.
5.2. WinIso
Einarbeiten unter WinIso gestaltet sich aufwändig und erfordert im Idealfall eine Tagesschulung,
damit man versteht, wie dieses Programm funktioniert und man damit arbeiten kann. Diese
Schulung ist als sinnvoll anzusehen, da diese Software sich wesentlich von anderen Programmen
unterscheidet. Somit wird es wichtiger zu wissen, wie die Größen der Simulation genau berechnet
werden.
Abbildung 18 - Einarbeiten - WinIso - Oberfläche
26
Oberfläche und Handhabung (Scrollen, Bedienung, Menüführung usw.) des Programms
entsprechen nicht dem aktuellen Stand der Softwareergonomie (
Abbildung 18). Viele Einstellungen und Eigenarten von WinIso erfordern ein tiefes Verständnis für
den Umgang mit dem Spalten- und Zeilen-System.
Abbildung 19 - Einarbeiten - WinIso - DXF-Editor
Auch bei einem DXF-Import innerhalb WinIsos sind viele Einzelschritte zu beachten. Die Datei muss
zuerst in einen im Programm enthaltenen DXF-Konverter eingelesen und anschließend in meist
sechs Schritten bearbeitet bzw. für das eigentliche Programm angepasst werden. Die dazugehörigen
Schaltflächen sind in Abbildung 19 zu sehen und beinhalten Funktionen wie bspw. „Kurven
bearbeiten“, „Schräge Linien in Treppen umwandeln“ sowie „Offene Linien bearbeiten“.
Ein Ändern der Ansicht ist abhängig von der Position über Spalten und Zeilen. Dies behindert den
Umgang mit dem Programm und gestaltet ihn unnötig aufwändig. Beispielsweise simple Scrollbars
wären an dieser Stelle hilfreich.
WinIso ermöglicht einen umfassenden und einfach zu erstellenden Export für die Berichterstellung
in Word. Jedoch hätte die Gestaltung der Grafiken und des Layouts moderner gelöst werden
können.
WinIso beanspruchte trotz besuchten Seminars die längste Einarbeitungszeit aller Programme, die
benötigt wird, um Wärmebrücken zu berechnen.
5.3. Flixo
Der erste Eindruck von Flixo ist positiv, da diese Software über eine benutzerfreundliche und
übersichtliche Oberfläche verfügt (siehe Abbildung 20).
Flixos Kopierschutz wurde durch eine Hardwarelösung realisiert. Kauft man das Programm erhält
man einen sogenannten „Dongle“ oder „Hardlock“, eine Art USB-Stick. Dies ermöglicht das
Installieren der Software auf verschiedenen Computern und somit ein flexibles Wechseln des
Arbeitsplatzes mit nur einer Lizenz.
Abbildung 20 - Einarbeiten - Flixo - Oberfläche
27
Als einzige getestete Software setzt Flixo auf ein gedrucktes Handbuch in A5 Format. Es ist handlich
und übersichtlich und gleichzeitig detailliert aufgebaut, so dass eventuelle Fragen, trotz der
intuitiven Bedienung, schnell und unkompliziert nachgeschlagen werden können. Der Vorteil
gegenüber einer PDF-Datei ist, dass Stellen einfach und ohne Computer markiert werden können.
Die Oberfläche ist, wie die umfangreiche Material- und Randbedingungs-Bibliothek, übersichtlich
gestaltet. Anordnungen der Schaltflächen innerhalb des Programms sind vorbildlich gelöst und
lassen ein rasches Erlernen der wichtigsten Funktionen zu.
Als einzige Anwendung ermöglicht Flixo ein sofortiges Füllen von Flächen mit Materialien nach
einem DXF-Import (Import einer CAD-Datei). Dies bedeutet, dass diese von Extern eingefügte Datei
nicht gesondert bearbeitet werden muss, bevor die Materialien und Randbedingungen definiert
werden, wie es in allen anderen getesteten Programmen der Fall ist.
Für die Berichterstellung stehen umfassende Exportfunktionen zur Verfügung, deren Umsetzung
vorbildlich, unter anderem durch Masterfolien, gelöst wurde. Jedoch kommt es bezüglich der
Textfelder innerhalb der Druckansicht öfters zu Überschneidungen.
5.4. Argos
Argos ist modern gestaltet und scheint auf den ersten Blick benutzerfreundlich und intuitiv
bedienbar (Abbildung 21).
Abbildung 21 - Einarbeiten - Argos - Oberfläche
28
Besonders an diesem Programm ist, dass die Möglichkeit besteht, gesamte Anschlussdetails aus DIN
4108 Beiblatt 2 einzufügen, damit diese anschließend auf die individuellen Maße angepasst und
simuliert werden können (siehe Abbildung 22). Auch vorgefertigte Schichtaufbauten von Wänden,
sortiert nach Herstellern, stehen zum Zeichnen in der Bibliothek zur Verfügung. Sollte man
derartige Anschlussdetails innerhalb des Programms skizzieren wollen, ergibt sich aufgrund dieser
Bibliothek ein Zeitgewinn.
Abbildung 22 - Einarbeiten - Argos - Anschlussdetailimport
Im Rahmen des Einarbeitens in diese Software wurde schnell deutlich, dass Argos nicht in dem
Ausmaße intuitiv zu bedienen ist, wie es anfänglich schien.
Nach Import einer DXF-Datei sind die Polygone leicht anzupassen, andererseits werden die Flächen
zwischen diesen Linien nicht als Flächen erkannt und müssen einzeln mit dem Rechteck- oder
Polygontool definiert werden. Dies erfordert zusätzlich Zeit.
Anschließend können die manuell definierten Flächen mit Material aus der Datenbank gefüllt
werden. Diese Materialien haben jedoch innerhalb des Anschlussdetails nicht dieselbe Farbe, die in
der Baustoffbibliothek definiert wurde. Sie muss vor Füllen der Flächen unter dem Container
„Füllung“ jedes Mal neu bestimmt werden. Aber auch dies funktioniert nicht immer, wie es sollte.
Wichtig ist, dass die ungestörten U-Werte zu definieren bzw. deren Stellen vorzugeben sind, damit
das Programm L0 berechnen und damit verbunden ausgeben kann.
Wie nach einem DXF-Import genau verfahren werden sollte, wird innerhalb des Handbuches und
der in Argos integrierten Hilfe kaum erklärt, was das Einarbeiten sehr zeitintensiv gestaltete und
auch nach mehrstündigen Versuchen keinen nennenswerten Erfolg brachte. Deshalb benötigt Argos
insgesamt eine sehr lange Zeit der Einarbeitung bis ein sinnvolles Ergebnis zu erreichen war.
Zusätzlich stört, dass Randbedingungen nicht individuell hinzugefügt und verändert werden
können. Vorhandene Einträge sagen nicht aus, welche Werte von Argos verwendet werden, sondern
nur für welche Art von Bauteil sie gedacht und ob sie innen oder außen vorgesehen sind.
Argos bietet eine durchdachte, schnell zu erstellende und dennoch detaillierte Exportfunktion für
das Anfertigen von Berichten an. Grafiken und Daten sind ansprechend umgesetzt und angeordnet.
29
5.5. Psi-Therm
Psi-Therm und Argos ähneln sich von der Anordnung der Schaltflächen und der grafischen
Darstellung des Ergebnisses stark Einige Schaltflächen sind jedoch anders angeordnet und dies
erspart an vielen Stellen nicht das Nachschlagen innerhalb der Handbuch-PDF (Abbildung 23).
Abbildung 23 - Einarbeiten - Psi-Therm – Oberfläche
Wechseln von Ansichten gestalten sich schwierig. Bei z.B.
ausgewähltem Polygon-Tool kann, nicht wie gewohnt, durch
Drücken des Mausrades die Sicht nicht verändert werden. In
diesem Fall lässt es sich allein über die Pfeiltasten der Tastatur
realisieren. Dies könnte z.B. durch Hinzufügen von Scrollbars
verbessert werden.
Auch wenn das Handbuch nichts über einen DXF-Import aussagt,
gibt es unter „Hilfe“ innerhalb Psi-Therms eine zusätzliche PDFDatei zu diesem Thema.
Nach dem Import von CAD-Dateien stimmten anfangs die Maße
der Anschlussdetails aus dem CAD-Programm nicht mit denen in
Psi-Therm überein. Im Rahmen des Imports muss ein Maßstab
sowie Skalierungsfaktor der DXF-Datei eingegeben werden
(Abbildung 24).
Abbildung 24 - Einarbeiten - Psi-Therm - DXF-Skalierung
30
Dies gestaltete sich wegen weniger Erklärungen innerhalb der Hilfedatei und damit verbunden
anfangs falscher Maße kompliziert. Dies resultierte in einem erheblichen, zusätzlichen Zeitaufwand
bevor mit der eigentlichen Berechnung begonnen werden konnte.
Bei Fragen bezüglich der Anwendung ist es möglich sich per E-Mail an den Support von Visionworld
zu wenden. Die Anfragen werden rasch sowie verständlich beantwortet.
Psi-Therm bietet eine Funktion für das Erstellen von äußerst umfassenden, übersichtlichen und
optisch ansprechenden Berichten an. Doch hierfür können leider nur sehr begrenzt Einstellungen
getroffen werden.
31
6
Validierung der Software durch Prüfreferenzfälle nach DIN EN ISO 10211
Prinzipiell kann, wie unter Punkt 3.5 bereits erläutert, ohne ein computergestütztes Wärmebrückenberechnungsprogramm, das mit numerischen Methoden arbeitet, der tatsächliche Wärmestrom
nicht bestimmt bzw. simuliert werden.
Somit muss also zuvor sicher gestellt werden, dass die zu verwendende Software zur Simulation
von Wärmebrücken ein korrektes Ergebnis liefert.
Nach Norm DIN EN ISO 10211 kann nach gegebenen Prüfverfahren getestet werden, ob das
jeweilige Programm in Bezug auf den Wärmestrom und Oberflächentemperaturen zu richtigen
Ergebnissen kommt. Im Anhang A der besagten Norm finden sich für zweidimensionale
Wärmebrückenprogramme zwei vorgegebene Prüffälle. In beiden Fällen wird das Ergebnis bzw. der
errechnete Wärmestrom anhand von Oberflächentemperaturen der Bauteile überprüft.
„Ein zweidimensionales stationäres Berechnungsverfahren ist dann als genaues Verfahren einzustufen,
wenn die Berechnungsergebnisse den Prüfreferenzfällen 1 und 2 entsprechen, die in Bild A.1 und
Bild A.2 dargestellt sind.“ 29
6.1. Prüfreferenzfall 1
Abbildung 25 - Prüfreferenzfall 1 aus DIN EN ISO 10211
Dieser Prüfreferenzfall (Abbildung 25) stellt eine Platte aus homogenem Material dar. An BC =
2·AB lässt sich erkennen, dass das Verhältnis der Seiten 2:1 und der Abstand zwischen jedem der 28
Knotenpunkte ¼ entsprechen soll. Achse A-D soll als adiabat30 angenommen werden, da es sich um
eine Symmetrieachse handelt und auf diese die Isotherme in einem Winkel von 90° treffen.
29
aus DIN EN ISO 10211, S.39
32
Anhand der gegebenen Temperaturen auf der rechten Seite kann also festgestellt werden, ob das
getestete Programm richtig rechnet. Die Temperaturtoleranz des Ergebnisses liegt bei ±0,1K.
6.1.1
Therm
In Abbildung 26 ist ein Ausschnitt des vorher gezeigten Prüfverfahrens 1 in seiner Realisation in
Therm dargestellt. Der homogene Werkstoff wurde in verschiedenen farbigen Quadraten jedoch mit
derselben Wärmeleitfähigkeit dargestellt, damit ein Ablesen an den richtigen Punkten einfacher
wird.
Zeigt man beispielsweise mit dem Cursor auf das Kreuz
zwischen den Kacheln in dem roten Kreis, gibt das Programm
eine Oberflächentemperatur von 10,3 °C an dieser Stelle aus.
Alle übrigen 27 von der Norm geforderten Kontrollpunkten
zwischen den Quadraten zeigen auch die korrekte, erwartete
Temperatur an.
Somit hat diese Anwendung, die in jedem Punkt die geforderte
Oberflächentemperatur mit einer Toleranz von ±0,0 °C
angezeigt hat, Prüfreferenzfall 1 bestanden.
Abbildung 26 - Prüfreferenzfall 1 - Therm
bestanden.
6.1.2
WinIso
Nachdem verschiedene Quadrate aus demselben,
homogenen Material erstellt wurden, kann die
fiktive Wärmebrücke des Prüfreferenzfalls 1
berechnet werden.
In WinIso können nur Temperaturen einzelner
Elemente angezeigt werden (z.B.: Eij: „Schnittpunkt“
von Zeile i und Spalte j). Das hat zu Folge, dass vier
aneinandergrenzende Elemente markiert sein
müssen, um die Temperatur zwischen diesen
Rechtecken abgreifen zu können. Innerhalb des
Informationsfensters wird somit eine Durchschnittstemperatur über die vorher möglichst klein
gewählten Elemente angezeigt.
Abbildung 27 - Prüfreferenzfall 1 - WinIso
Rundet man jedes Ergebnis der Temperaturen auf
eine Nachkommastelle, wird die geforderte Oberflächentemperatur in jedem Kontrollpunkt exakt
angezeigt.
bestanden.
30
Adiabate Grenzen beschreiben in diesem Fall einen Symmetrieschnitt des Bauteils über den kein Wärmetransport
stattfindet. Isotherme verlaufen parallel und treffen rechtwinklig auf diese Randbedingung.
33
6.1.3
Flixo
Hier konnte die vorher in der CAD-Anwendung
erstellte DXF-Datei einfach importiert und die
entsprechenden
Flächen ohne Probleme mit
entsprechenden Materialien gefüllt werden.
Nach einer Berechnungszeit von weniger als zehn
Sekunden können im unteren Reiter „Temperaturen“,
„lokale Temperaturen“ und durch halten des Cursors
auf die vorgegebenen Stellen die korrekten Werte
abgelesen werden. Diese sind mit einer maximalen
Abweichung von 0,08 K als korrekt anzusehen.
bestanden.
Abbildung 28 - Prüfreferenzfall 1 - Flixo
6.1.4
Argos
In
Abbildung
29
ist
eine
Fehlermeldung zu sehen. Sie
entsteht, wenn man in Argos
versucht, nach Definition der
Materialien und Randbedingungen
eine Berechnung der Wärmebrücke
durchzuführen.
Leider sind keine weiteren Details
zu dieser Fehlermeldung gegeben.
Nach verschiedenen Tests und
mehreren
Berechnungsversuchen
ohne sichtbaren Erfolg, mehrfachem
Aufhängen von Argos und dem
Verlust nichtgespeicherter Projekte
kann nur gefolgert werden, dass der
Prüfreferenzfall 1 für Argos äußerst
schwierig
ist.
Dieser
simple
Abbildung 29 - Prüfreferenzfall 1 - Argos
Standardtestfall führte nur zu
unklaren
Fehlermeldungen,
die
nicht
halfen,
das
Problem
zu
lösen.
Für Probleme, die auch mittels Handbuch nicht gelöst werden können, bietet ZUB Kassel eine
Hotline zum Ortstarif zur Unterstützung. Leider konnte im vorliegenden Fall auch in
Zusammenarbeit mit der Hotline keine Lösung gefunden werden. Somit kann bei Prüffall 1 nicht
von einer Validierung des Programms ausgegangen werden. Weitere Ergebnisse der
Anschlussdetails werden jedoch im weiteren zeigen, wie präzise die Anwendung
Argos Wärmebrücken berechnen kann.
nicht bestanden.
34
6.1.5
Psi-Therm
Das Importieren der DXF-Datei und Füllen der Flächen lief
unkompliziert ab. Jedoch ist unverständlich, wieso Psi-Therm
Flächen mit der vorher festgelegten Farbe nicht füllt.
Abbildung 30 zeigt die Ergebnisse der berechneten
Oberflächenflächentemperaturen. Dabei liegt der oberste
Temperaturpunkt der zweiten Spalte (vgl. Tabelle unter Punkt
6.1) außerhalb der vorgeschriebenen Toleranz von 0,1K (13,22°C
statt 13,4°C). Alle übrigen Messpunkte befinden sich innerhalb
des Toleranzbereichs.
Somit hat diese Anwendung den ersten Prüfreferenzfall nicht
bestanden.
Abbildung 30 - Prüfreferenzfall 1 – Psi-Therm
nicht bestanden.
6.1.6
Fazit Prüfreferenzfall 1
Trotz der Einfachheit des Prüfreferenzfall 1 der Norm DIN EN ISO 10211 machten sich bei zwei
Programmen schon hier einige Schwierigkeiten bemerkbar. Es bleibt aber offen, ob es daran liegt,
dass eine homogene Wärmeleitfähigkeit vorausgesetzt wird oder dass eine Symmetrie in
Verbindung mit drei Randbedingungen vorliegt.
Im Prinzip dürfen bei dieser einfachen Überprüfung des korrekten Rechnens nur die richtigen Werte
der Oberflächentemperaturen als Ergebnis auftreten. Weitere Ergebnisse der durchgefallenen
Programme in Bezug auf den Prüfreferenzfall 2 und die vier Anschlussdetails werden im folgenden
aufgezeigt.
35
6.2. Prüfreferenzfall 2
Abbildung 31 - Prüfreferenzfall 2 aus DIN EN ISO 10211
36
Der zweite Fall des Prüfverfahrens31 für die zweidimensionale Berechnung von Wärmebrücken sieht
vor, ein fiktives, inhomogenes Bauteil als Voraussetzung der Überprüfung zu nutzen.
Diesmal sind die genauen Maße in Millimetern vorgegeben (Tabelle A.1), da bei abwechselnden
Materialien eine einfache Verhältnisvorgabe nicht mehr ausreicht, um das genaue Ergebnis zu
erzielen.
Außerdem werden zusätzlich bestimmte Wärmeleitfähigkeiten der Stoffe 1 bis 4 und
Randbedingungen der Strecken AB und HI (Temperatur und Wärmeübergangswiderstand)
vorgeschrieben.
Als gefordertes Ergebnis ist hier neben den Temperaturen in bestimmten Punkten auch der zu
erreichende Gesamtwärmestrom von 9,5
vorgegeben. Beide Ergebnisse müssen in einer
Toleranz von ±0,1 °K bzw. W/m liegen.
Am Rande sei noch erwähnt, dass die Linie in der Skizze A.2 der Norm zwischen G und dem Punkt
unter E nicht nötig ist und das Material rechts von Material 2 zum Baustoff 3 gehört.
6.2.1
Therm
Nach langer Bearbeitungszeit zeigte Therm die richtigen, von der Norm geforderten
Oberflächentemperaturen an. In Kapitel 5.1 „Therm“ ist beschrieben, warum die Berechnung des
Ergebnisses an dieser Stelle lange dauert.
Nur im Punkt G ist eine Abweichung von +0,1 °K
festzustellen. Dies liegt innerhalb der erlaubten Toleranz.
Der Wärmedurchgangskoeffizient, den Therm für das
fiktive Bauteil berechnet hat, beträgt 0,9505
.
Abbildung 32 - Prüfreferenzfall 2 - Therm
Mit
einer Abweichung von nur 0,005 W/m.
ergibt sich der richtige Wärmestrom mit
Somit hat Therm auch diesen Prüfreferenzfall erfolgreich absolviert. Nun kann laut Norm DIN EN
ISO 10211 davon ausgegangen werden, dass dieses Programm auch andere Anschlussdetails korrekt
simuliert.
bestanden.
31
Entnommen aus DIN EN ISO 10211, S. 40
37
6.2.2
WinIso
Da dieses Programm mit Zeilen und Spalten arbeitet, um Anschlussdetails darzustellen, ist es sehr
einfach den Prüffall 2 zu zeichnen, denn es müssen nur die richtige Anzahl an Zeilen und Spalten
erstellt, danach die Größen dieser definiert und anschließend die Flächen mit den vorgesehenen
Materialien gefüllt werden. Jedoch könnte auch die vorbereitete DXF-Datei eingelesen werden.
Allerdings müssen für die folgende Berechnung die Elementgrößen im Gitternetz durch
Bestimmung der Spalten- und Zeilengrößen festgelegt werden. Die Netzgitterweite empfiehlt sich in
Bereiche aufzuteilen. Das heißt, dass man in Umgebungen bei bestimmten Details ein feineres
Gitter definiert, damit dort genauer gerechnet wird als in großen Flächen gleichen homogenen
Materials. Logischerweise bedeuten mehr einzelne Elemente auch eine längere Berechnungszeit.
Für diesen Prüffall wurde das Gitter in
den Bereichen der Messpunkte auf
0,1mm·0,1mm definiert, alle vorherigen
Ergebnisse von Zellen zurückgesetzt
(„mit Zufallszahlen zurücksetzen“) und
eine Berechnungszeit von 25 Sekunden
erzielt.
Die Ergebnisse der Messpunkte befanden
sich mit einer Abweichung von maximal
±0,05 K innerhalb der gegebenen
Toleranz.
Abbildung 33 - Prüfreferenzfall 2 – WinIso - Wärmestrom
In Abbildung 33 ist zu erkennen, dass
der geforderte Wärmestrom von 9,500 W/m mit 9,491 W/m berechnet worden ist.
Damit lässt sich abschließend sagen, dass WinIso den Prüffall bestanden hat und somit für
Wärmebrückenberechnung geeignet ist.
bestanden.
6.2.3
Flixo
Wie im ersten Prüffall kann auch hier die CADDatei
eingelesen
und
der
zweite
Prüfreferenzfall schnell und unkompliziert
simuliert werden.
Anhand von Abbildung 34 ist zu erkennen,
dass die Temperatur beispielweise in Punkt G
(vergleiche 6.2) mit einer Abweichung von nur
0,022 K genau angezeigt wird. Die Differenz
der geforderten Werte betrug maximal 0,05 K
und bestätigt Flixo somit in der Richtigkeit der
Ergebnisse.
Abbildung 34 - Prüfreferenzfall 2 - Flixo – Oberflächentemperatur Punkt G
Greift man den Wärmestrom von der Bauteilinnenoberfläche ab, gibt die Anwendung einen
Gesamtwärmestrom von 9,521 W/m aus. Dieser Wert unterscheidet sich um 0,021 W/m von dem
vorgegebenen, liegt damit im Rahmen der erlaubten Toleranz von ±0,1 W/m und zeigt, dass Flixo
allen Erwartungen der Prüfreferenzfälle entspricht.
bestanden.
38
6.2.4
Argos
Mit einer Elementseitenlänge von 0,1 cm in den Bereichen 1, 2, 4 und 0,2 cm im dritten Bereich
berechnet Argos folgende Temperaturen an den angegebenen Punkten:
Abbildung 35 - Prüfreferenzfall 2 - Argos – Temperaturdarstellung
Man stellt also fest, dass Punkt C mit 8,95°C eine Temperaturdifferenz zum vorgegebenen Wert von
1,05 K aufweist (Abbildung 35).
Bei der vom Hersteller gegebenen Datei zur Berechnung von Prüffall 2 ergibt sich für Punkt C mit
denselben Gitter-, Material- und Wärmeübergangseinstellungen eine Temperatur von 7,9°C
(Abbildung 36). Diese entspricht genau der durch die Norm geforderten.
Dieser Unterschied liegt an der Elementgröße, die nicht in dem gesamten fiktiven Bauteil auf 0,1cm
Seitenlänge eingestellt werden kann, da sonst nach längerer „Berechnung“ der in Abbildung 37
gezeigte Fall eintritt.
Abbildung 36 - Prüfreferenzfall 2 - Argos - Punkt C
Abbildung 37 - Prüfreferenzfall 2 - Argos - Fehlermeldung
Möglicherweise wurde deshalb Bereich 3 in der von ZUB Kassel
gegebenen Version des Prüfreferenzfalls 2 in zwei Teile
separiert. Somit kann man die Gitterweite des linken Bereichs
auf 0,1 cm definieren und somit die geforderten 7,9°C erzielen.
Die Angabe des Wärmestroms entspricht jedoch mit 9.4956
W/m sehr genau dem geforderten Ergebnis.
bestanden.
Abbildung 38 - Prüfreferenzfall 2 – Argos – Gitternetz
39
6.2.5
Psi-Therm
Bis die DXF-Datei des Prüfreferenzfall 2 nach dem Import mit richtigen Maßen abgebildet wurde,
verging, trotz zusätzlichem Handbuch zu dem Thema DXF-Import, einige Zeit. Vieles, was die
Ansichten innerhalb des Programms betrifft ist nach Ansicht des Verfassers unnötig kompliziert und
verwirrend gelöst.
Die Oberflächentemperaturen der geforderten Punkte lieferten das richtige Ergebnis innerhalb der
erlaubten Toleranz. Wie in Abbildung 39 zu sehen ist, wird der Wärmestrom korrekt ausgegeben.
Abbildung 39 - Prüfreferenzfall 2 - Psi-Therm
Somit erfüllt Psi-Therm ebenfalls die Anforderungen des Prüfreferenzfalls 2.
bestanden.
6.2.6
Fazit Prüfreferenzfall 2
Alle verwendeten Programme schlossen diese zweite Herausforderung mit korrekten Ergebnissen
ab. Auffällig war, dass trotz schwankender Oberflächentemperaturen (innerhalb der Toleranz), der
Wärmestrom von jeder Software äußerst nah an der Vorgabe ausgegeben wurde.
Anhand des Prüfreferenzfalls 2 deuteten sich bestimmte Eigenschaften und –arten der Programme
an. Bereits hier kristallisierten sich individuelle Stärken und Schwächen heraus. Die zweite Prüfung
der Programme wurde auch verwendet, um sich intensiver mit der Software vertraut zu machen.
6.3. Ergebnisse der Validierung
Tabelle 7 - Übersicht Ergebnisse Validierung
Fall 1
Fall 2
Bestanden?
Therm
WinIso
Flixo
Argos
●
●
ja
●
●
ja
●
●
ja
●
●
nein
PsiTherm
●
●
nein
40
7
Berechnung der Beispieldetails
Die in 7.1, 7.2, 7.3 und 7.4 aufgeführten vier beispielhaften Anschlussdetails wurden gewählt, um
möglichst alle denkbaren Fälle, die bei der Wärmebrückenberechnung auftreten können,
abzudecken. Randbedingungen der entsprechenden Anschlussdetails sind auf Basis von Beiblatt 2
der Norm DIN 4108 gewählt worden. Denn die aktuelle Norm 18599-2: 2007-02 verweist in
Abschnitt 6.2.1.3 auf oben genanntes Beiblatt 2. Temperaturen sind dem Teil der f-Wert
Berechnung und Wärmeübergangswiderstände dem Teil der -Wert Berechnung entnommen.
f-Werte zu berechnen (siehe 11.1), ist in dieser Bachelor Thesis nicht vorgesehen, jedoch lässt dies
einen einheitlichen Vergleich der Ergebnisse eher zu.
In Bezug auf die Wärmebrückenberechnung werden im selbigen Beiblatt 0 und 1 als
Temperaturverhältnisse vorgeschrieben, da jedoch ausgegebener Wärmestrom durch die
Temperaturdifferenz geteilt wird (ist gleich dem L2D-Wert) und somit eine genaue Vorgabe für die
Berechnung von hinfällig ist.
Ablauf der Wärmebrückenberechnung
Simulationen der Anschlussdetails setzen einen DXF-Datei-Import voraus und eine Nachbearbeitung
im Anschluss daran. Diesen wird in den meisten Programme eine große Aufmerksamkeit zu teil.
Trotzdem ist es effektiver eine CAD-Datei einzulesen, als innerhalb des Programms eine Zeichnung
manuell zu erstellen. Denn bei vielen Bauvorhaben wurden Schnitte und Details zuvor schon
mithilfe von CAD-Software gezeichnet. Ein nochmaliges, maßstabgetreues Erstellen innerhalb eines
Wärmebrückenprogramms würde unnötigen Einsatz von Arbeitszeit bedeuten.
Die im Vorhinein ausgesuchten Wärmebrückendetails wurden zuvor in einer CAD-Anwendung
bearbeitet. Dazu zählt unter anderem das Entfernen von Schraffuren, Schließen von Linien, Löschen
von unnötigen Linien und ganzen Komponenten, die für die Wärmebrückenberechnung irrelevant
sind. Eine präzisere Beschreibung dieser Maßnahmen findet sich jeweils im Kapitel eines
Anschlussdetails.
Prinzipiell sollte die Vorgehensweise wie folgt ablaufen:











DXF-Datei des Details in CAD-Anwendung bearbeiten/anpassen
DXF in jeweiligem Programm einlesen
Ggf. Linien nachzeichnen bzw. Flächen definieren
Materialien anlegen bzw. aus Katalog entnehmen
Flächen mit Materialien füllen
Randbedingungen anlegen bzw. aus Katalog entnehmen
Randbedingungen an Gebäudekanten definieren
FEM/FDM Netz erstellen lassen bzw. selbst definieren
Wärmebrücke simulieren
Ggf. -Wert selbst aus Wärmestrom berechnen
Ergebnis evaluieren
Am Ende einer jeden Berechnung eines Anschlussdetails werden die Ergebnisse in einer Tabelle
aufgeführt: Arbeitsaufwand, L2D-Wert, L0-Wert und -Wert.
Arbeitsaufwand beschreibt die Zeit, die benötigt wurde, um die DXF-Datei korrekt zu importieren,
ggf. Polygone nachzuziehen, Materialien neu anzulegen, Materialien einzufügen, Randbedingungen
zu definieren, die Berechnung durchzuführen und evtl. selbst zu ermitteln (abhängig von
jeweiliger Software). Der gesamte Arbeitsaufwand verkürzt sich mit zunehmender Erfahrung
bezüglich einzelner Programme.
41
Bei verhältnismäßig wenig beschreibendem Text zu Programmen in den einzelnen Kapiteln der
Anschlussdetails bedeutet, dass die Wärmebrückensimulation ohne weitere Komplikationen
verbunden war.
Es sollte unbedingt jedes einzelne Mal überprüft werden, ob das jeweilige Ergebnis, das die
Simulation hervorbringt, realistisch ist und der errechnete Wert in Bezug auf das berechnete
Anschlussdetail Sinn ergibt. Überdies wird dringendst empfohlen die Berechnungsverfahren der
Normen (z.B. DIN EN ISO 10211) zu kennen und zu wissen, wie das Programm simuliert sowie
bestimmte Eingaben interpretiert. Denn somit kann man auch im Falle eines nicht glaubhaften
Ergebnisses bezüglich des Wärmestroms unter möglichst wenig Zeitaufwand einschätzen, wieso die
Anwendung zu einem scheinbar falschen Resultat kommt und den Fehler beheben.
7.1. Außenecke
Als erstes Anschlussdetail wurde eine triviale Außenecke vorgegeben, damit den unterschiedlichen
Programmen ein einfacher Einstieg ermöglicht wird. Ferner ist es das einzige der insgesamt vier
Details mit horizontalem Schnitt.
Abbildung 40 - Anschlussdetail 1 – Außenecke
Dieses Detail wurde der Kalksandstein Detailsammlung32 (2.4.1) entnommen.
Randbedingungen: Innen:
20°C
Außen:
-5°C
32
Bundesverband Kalksandsteinindustrie eV (2011): Kalksandstein Detailsammlung.
http://www.kalksandstein.de/bv_ksi/bv_ksi/downloadcenter.php?page_id=13069&filter=13262 (26.07.2013)
42
Tabelle 8 – Außenwand – Wandaufbau und U-Wert Berechnung
#
1
2
3
4
5
6
Dicke Dichte
λ
R
[mm] [kg/m³] [W/(m·K)] [m·K/W]
Wärmeübergangswiderstand außen
0,040
Zementputz
10
1800
1,000
0,010
Hartschaum, EPS
180
40
0,038
4,737
Kalkstein, mittelhart
175
2000
1,400
0,125
Gipsputz
10
1000
0,400
0,025
Wärmeübergangswiderstand innen
0,130
Material
gesamt
nach DIN EN ISO 10456
375
5,067
U-Wert
0,197
Der Abstand der adiabaten Grenze zum zentralen Element (hier: gedachtes Quadrat innerhalb der
Ecke) soll laut DIN EN ISO 10211, Tabelle 1 mindestens das Dreifache der Bauteildicke betragen.
Somit wurde bei der CAD-Zeichnung für die Strecke von der Innenecke bis zur adiabaten Grenze
120 cm (jeweils von Innenecke nach rechts und nach unten) gewählt.
Ausschlaggebend ist hier, wie in jedem anderen Anschlussdetail auch, der Außenmaßbezug (siehe
3.4), um einen globalen Vergleich aller Wärmebrückenberechnungsprogramme zu ermöglichen.
Abbildung 41 - Außenecke - Bemaßung
43
7.1.1
Therm
Bei DXF Import müssen die Polygone einzeln nachgezogen und können nicht nur einfach mithilfe
des Füllwerkzeugs gefüllt werden. Dies jedoch wird entscheidend durch die Fangfunktion
erleichtert. Dennoch kann dies bei komplexeren Zeichnungen viel Zeit beanspruchen und die
Geduld des Anwenders auf die Probe stellen. Denn kleinste Abweichungen werden von Therm nicht
toleriert.
Therm gibt nicht, wie andere Programme, einen Wärmestrom als Ergebnis aus. Es wird ein
Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) bezogen auf das Innenmaß und ein Wärmedurchgangskoeffizient bezogen auf das Außenmaß angezeigt. Diese müssen mit der jeweiligen Länge, über die
sie wirken, multipliziert werden, damit man den L2D-Wert erhält.
Der Wärmestrom könnte bei Interesse zusätzlich berechnet werden, indem man den L2D mit der
Temperaturdifferenz ΔT multipliziert.
Ergebnis:
und
Die Formeln dieser Berechnung sind aus 3.1 Allgemeine Grundlagen entnommen.
Berechnung des
mit Innenmaßbezug
Berechnung des
mit Außenmaßbezug
Hier wurde exemplarisch und einmalig mit Innenmaßbezug berechnet, um an einem
Zahlenbeispiel zu zeigen, wie unterschiedlich die Ergebnisse hierbei sein können (siehe 3.4).
Tabelle 9 - Außenecke Ergebnis – Therm
Arbeitsaufwand
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
30 min
-
0,5576
0,6206
-0,0630
44
7.1.2
WinIso
Nach dem die DXF-Datei importiert worden ist, können neue Materialien und Randbedingungen
erstellt bzw. vorhandene verwendet und in die Felder der „Schablone“ eingefügt werden.
Der U-Wert des Außenwandaufbaus und die Werte für den Außenmaßbezug müssen in den Feldern
der in Abbildung 42 gezeigten Dialogbox angegeben werden. Anschließend berechnet WinIso den
-Wert automatisch.
Abbildung 42 - Außenecke – WinIso - Ergebnis
Tabelle 10 - Außenecke Ergebnis – WinIso
Arbeitsaufwand
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
25 min
13,9280
0,5570
-
-0,0634
45
7.1.3
Flixo
Nach Importieren der DXF-Datei, Konvergieren
der Polygone, Füllen der Flächen und
Festlegen der Randbedingungen kommt Flixo
bei diesem Anschlussdetail mit sehr wenig
Arbeitsaufwand zu einem Ergebnis.
Der Wärmestrom wird mit -13,935 W/m
angegeben und ist negativ, da er außen
abgegriffen wurde und die Gesamtbilanz der
eingehenden
und
der
abgehenden
Wärmeströme gleich Null ergeben muss.
Innerhalb der Rechnung kann jedoch der
Betrag des Wärmestroms verwendet werden.
Wie man in Abbildung 44 erkennen kann, ist
das Programm auch in der Lage selbstständig
zu errechnen. Der von Flixo angegebene Wert -0,064 von weicht vom korrekten Wert
-0,06315 ab.
Die kann in Rundungsfehlern während der
Berechnung begründet sein.
Abbildung 43 - Außenecke – Flixo – Wärmestrom
Einmalige, exemplarische Kontrollrechnung:
Bei einer Temperaturdifferenz ΔT von 25 Kelvin ergibt sich der L2D-Wert wie folgt:
Nach Formel 1.2:
Nach Formel 1.1:
Nach Formel 1.3:
Abbildung 44 - Außenecke - Psi-Wert Berechnung – Flixo
Tabelle 11 - Außenecke Ergebnis – Flixo
Arbeitsaufwand
15 min
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
13,9350
0,5574
0,6206
-0,0640
46
7.1.4 Argos
Nach dem Import der DXF, Nachzeichnen der Polygone zur Flächendefinition, Füllen der Flächen
und Einstellen der Randbedingungen zeigt Argos die Ergebniszusammenstellung auf der rechten
Seite an.
Abbildung 45 - Außenecke - Argos - Ergebnisdarstellung
Mit dem Resultat des Wärmestroms von 13,938 W/m kommt die Anwendung zu einem Ergebnis
von = -0,0642 W/(m·K) (Außenmaßbezug).
Prüfung der trivialen Rechnung
Nach Formel 1.2:
Nach Formel 1.1:
Nach Formel 1.3:
Argos Berechnung der Wärmestromsimulation ist richtig.
L0 ist bei dieser Berechnung anders, da Argos einen U-Wert von 0,197362 errechnet. Somit ergibt L 0
0,6217 statt 0,6206. Dies bedeutet dass das Ergebnis um 0,001 W/m·K im Vergleich mit einer
Rechnung mit einem gerundeten U-Wert variiert. Excel gibt bei der U-Wert Aufstellung unter 7.1
den exakt selben Wert wie Argos aus, falls er nicht gerundet wird.
Tabelle 12 - Außenecke Ergebnis – Argos
Arbeitsaufwand
25 min
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
13,9380
0,5575
0,6217
-0,0642
47
7.1.5
Psi-Therm
Bei der Simulation mit Psi-Therm ist es wichtig, einen ungestörten U-Wert zu definieren und hierbei
auch die außenmaßbezoge Länge des ungestörten Wandaufbaus anzugeben.
Die automatische U-Wert Berechnung hat bei dem Anschlussdetail Außenecke nicht funktioniert
bzw. nicht das korrekte Ergebnis geliefert. Ansonsten könnte man den -Wert mithilfe des
ausgegebenen Wärmestroms, ähnlich wie bei Therm, gesondert berechnen.
Abbildung 46 - Außenecke - Psi-Therm – Ergebnis
Wie man in Abbildung 46 sieht, ergibt sich für
von -0,0630.
ein auf vier Nachkommastellen gerundeter Wert
Tabelle 13 – Außenecke Ergebnis – Psi-Therm
Arbeitsaufwand
20 min
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
13,9379
0,5575
0,6210
-0,0630
48
7.1.6
Fazit Außenecke
Tabelle 14 - Außenecke - Ergebniszusammenstellung
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
30 min
-
0,5576
0,6206
-0,0630
WinIso
25 min
13,9280
0,5570
-
-0,0634
Flixo
15 min
13,9350
0,5574
0,6206
-0,0640
Argos
25 min
13,9380
0,5575
0,6217
-0,0642
Psi-Therm
20 min
13,9379
0,5074
0,6210
-0,0630
Programm
Arbeitsaufw.
Therm
Anschlussdetail Außenecke stellte, wie erwartet, keine sonderlich schwere Aufgabe für Programme
und Anwender dar. Im Rahmen der Simulationsvorbereitung dieser Wärmebrücke konnten die
Programme besser verstanden und der Umgang verbessert werden. Bezogen auf die aufgewendete
Arbeitszeit fielen die kostenlose (Therm) und die teuerste (Flixo) Anwendung auf (siehe Tabelle
14).
49
7.2. Sockelanschluss
Das zweite Beispieldetail stellt einen
Sockelanschluss mit Kellerdecke
gegen einen unbeheizten Bereich
dar. Es wurde gewählt, da hier drei
verschiedene
Temperaturbereiche
vorliegen und geprüft werden soll,
wie
die
verschiedenen
Wärmebrückenberechnungsprogramme mit diesen Bedingungen
umgehen.
Dieses Anschlussdetail stammt aus
der Kalksandstein Detailsammlung33
und trägt dort die Nummer 2.2.3. Es
wurden
vor
der
Berechnung
innerhalb der DXF-Datei mit einer
CAD-Software
einige
Elemente
entfernt, die für die Simulation nicht
benötigt werden. Dazu zählen die
Abschlussleiste, der Fußbodenbelag,
alle Schraffuren innerhalb der
Abbildung 47 - Anschlussdetail 2 - Sockelanschluss
Felder,
der
Erdboden,
Dichtungsbahnen, Steinfugen und die Noppenbahn. Die Temperatur des Kellers und die neuen
Wärmeübergangswiderstände Rsi für den vertikalen Wärmestrom wurden dem Beiblatt 2 der Norm
4108 (S. 65, Tabelle 7, Detail 7) entnommen.
Abbildung 48 - DIN 4108 Beiblatt 2 - Tabelle 7
33
50
Tabelle 15 - Sockelanschluss - Materialien
#
Material
1
2
3
4
5
6
7
Außenputz
EPS
Kalksandstein AW
Innenputz
XPS
Zementestrich
Trittschalldämmung
Stahlbeton 1%
8
armiert
9 Kimmstein
10 Kalksandstein KW
λ
[W/(m·K)]
1,00
0,04
0,99
0,70
0,04
1,40
0,04
2,30
0,33
1,10
Abbildung 49 - Sockelanschluss - Materialien
Randbedingungen nach DIN 4108 Beiblatt 2, wie in
Abbildung 48 gewählt:
Innen:
20°C
Außen:
-5°C
Keller:
10°C
Daraus ergeben sich folgende U-Werte:
UAW,oben = 0,205
Mit einer auf das Außenmaß bezogene Länge von 1,30 m.
UKD =0,201
Mit einer auf das Außenmaß bezogene Länge von 1,59 m.
Alle Bauteilabmessungen werden über die in der DXF-Datei definierten Abmessungen bestimmt.
Wie AAW in
Abbildung 48 andeutet, bezieht sich der Bezugspunkt der –Wert Berechnung bei diesem
Anschlussdetail auf die Oberkante der Rohdecke. Da das Innenmaß von Innenecke bis adiabate
Grenze mit jeweils 1,20m in horizontale und vertikale Richtung gewählt wurde, bedeutet dies, dass
die Außenwand (Außenmaßbezug) mit 1,30m und die Kellerdecke mit einer Länge von 1,59 m zu
betrachten sind.
Entlang der gesamten Außenwand kann außen ein Rsi-Wert von 0,04 (m²
und eine
Temperatur von -5°C angenommen werden, da erst ab einem Meter erdberührtes Bauteil eine
Änderung dieser Randbedingungen beachtet werden muss.
51
7.2.1
Therm
Bezüglich Therm ist es wichtig, dass die DXF-Datei in der CAD-Anwendung absolut sauber
gezeichnet bzw. bereinigt wurde und nur ein Layer mit allen Polygonen existiert. Anschließend wird
wieder die „Schablone“ der DXF-Datei mit Rechtecken bzw. Polygonketten nachgezogen.
Bei diesem Sockeldetail empfiehlt es sich laut dem Buch „Wärmebrücken“ 34 in diesem Programm
den Wärmestrom nach außen und in den unbeheizten Kellerbereich getrennt zu berechnen.
Jedoch ist dies auch mit drei definierten Bereichen möglich:
Ergebnis:
(über „custom length“: 1,3 m + 1,59 m = 2,89 m)
Bis zu einem korrekten Ergebnis, mit dem Erkennen des richtigen Lösungsweges, verging bei
diesem Anschlussdetail viel Zeit.
Tabelle 16 - Sockelanschluss Ergebnis – Therm
Arbeitsaufwand
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
55 min
-
0,5058
0,3943
+0,1115
34
vermeiden“, 1. Auflage, Regensburg, S.152
52
7.2.2
WinIso
Das Erstellen dieser Wärmebrücke funktionierte mit WinIso dank „Drag and Drop“ unkompliziert.
Anhand des Handbuches ist nicht ersichtlich, wie im Falle von mehr als zwei Randbedingungen
verfahren werden sollte. Es ist jedoch möglich Hilfe des Supports zu erhalten. Dieser half
entscheidend bei der Berechnung dieser Wärmebrücke mit drei Temperaturrandbedingungen
weiter. Deshalb ist auch die Zeit des Aufwandes mit einem „40min+“ angegeben (Tabelle 17), da
auf eine Antwort seitens Sommer Informatik gewartet werden musste.
Innerhalb des Informationsfeld (Abbildung 50) zu den Materialien gibt WinIso verschiedene
Wärmeströme aus. Gewählt werden die zwei, die über den beheizten Bereich entweichen, weil dies
den relevanten Wärmeverlust darstellt.
Abbildung 50 - Sockelanschluss - WinIso - Ergebnis
Wärmestrom 1: Φ1 = 8,612 W/m
Wärmestrom 2: Φ2 = 4,004 W/m
Gesamt:
Φ = 12,616 W/m
(aus 7.2.1)
Tabelle 17 - Sockelanschluss Ergebnis – WinIso
Arbeitsaufwand
40 min+
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
13,4670
-
-
+0,1103
53
7.2.3
Flixo
Wie gewohnt, konnte die DXF-Datei eingelesen, die Materialien und Randbedingungen aus den
gegeben Bibliotheken per „Drag and Drop“ mit wenigen Klicks eingefügt und die Wärmebrücke
simuliert werden.
Abbildung 51 - Sockelanschluss - Flixo
Die Simulation ergab die in Tabelle 18 gezeigten Ergebnisse.
Tabelle 18 - Sockelanschluss Ergebnis – Flixo
Arbeitsaufwand
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
15 min
12,6410
0,5056
0,3937
+0,1110
54
7.2.4
Argos
Argos Pro verfügt im Rahmen der -Wert Berechnung über keine Randbedingungen mit 10°C für
den unbeheizten Keller und ein Ergänzen oder Verändern der Temperaturen ist nicht möglich.
Somit rechnet das Programm mit einer Temperatur von 5°C für unbeheizte Räume und kommt zu
einem Ergebnis von 14,7832 W/m für den Wärmestrom.
Tabelle 19 - Sockelanschluss Ergebnis – Argos
Arbeitsaufwand
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
40 min
-
-
-
-
Da die Simulation mit in 7.2 gegebenen Randbedingungen nicht möglich war, kann in Tabelle 19
kein Ergebnis angegeben werden. Bedauerlicherweise kann hier keine Wertung stattfinden, obwohl
sich das Programm streng an Normvorgaben hält. Denn 10°C sind für die -Wert Berechnung
innerhalb des DIN EN ISO 10211 Beiblatts 2 nicht vorgeschrieben. Jedoch auch nicht
ausgeschlossen.
Um zu überprüfen, ob mit den zur Verfügung stehenden Randbedingungen richtig simuliert wird,
erfolgt eine Berechnung dieser Wärmebrücke mit Flixo mit adaptierten Randbedingungen im
unbeheizten Bereich.
Flixo kommt zu einem Ergebnis von
14,796 W/m und = 0,134 W/(m·K). Damit ist sicher,
dass Argos das Anschlussdetail Sockelanschluss richtig berechnen würde, wenn es die
Randbedingungen zuließen.
55
7.2.5
Psi-Therm
Dank der umfassenden Materialbibliothek müssen nur wenige neue Baustoffe manuell hinzugefügt
werden. Für die -Wert-Berechnung werden wieder die Außenmaße für jeweilige U-Werte der
verschiedenen Wandaufbauten angegeben und die
korrekten, selbst berechneten
Wärmedurchgangskoeffizienten eingegeben, da Psi-Therm sie erneut falsch berechnete.
Eine Simulation mit mehr als zwei Randbedingungen stellte sich mit dieser Software anfänglich als
eine nicht triviale Aufgabe dar. Wie in Abbildung 52 zu erkennen ist, müssen viele Bedingungen
beachtet und zusätzlich Zeit für das Erlernen der Abläufe, die sich streng an das Vorgehen der Norm
DIN EN ISO 10211 hält, eingeplant werden.
Abbildung 52 - Sockelanschluss - Psi-Therm
Die Ergebnisse, die Psi-Therm nach der Simulation ausgibt (Abbildung 52), finden sich in Tabelle
20 wieder.
Tabelle 20 - Sockelanschluss Ergebnis – Psi-Therm
Arbeitsaufwand
50 min
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
-
0,5074
0,3943
+0,1131
56
7.2.6 Fazit Sockelanschluss
Tabelle 21 - Sockelanschluss - Ergebniszusammenstellung
Programm
Arbeitsaufw.
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
Therm
55 min
-
0,5058
0,3943
+0,1115
WinIso
30 min+
18,0480
0,7220
-
+0,1358
Flixo
15 min
12,6410
0,5056
0,3937
+0,1110
Argos
40 min
-
-
-
-
Psi-Therm
50 min
-
0,5074
0,3943
+0,1131
Bei der Simulation des Sockelanschlusses zeigten sich viele Probleme und Eigenheiten der
Programme, die darauf zurückzuführen sind, dass es mehr als zwei Randbedingungen gab. Da jede
Software diese Bedingungen anders behandelt, war ein hoher Zeitaufwand nötig, um die
Simulation durchzuführen.
Prinzipiell ist zu erwähnen, dass immer ein umfassendes Verständnis der Materie vorhanden sein
sollte, um Ergebnisse korrekt zu evaluieren und damit mögliche Fehler vorzeitig erkennen zu
können.
57
7.3. Traufanschluss
Bei Anschlussdetail Traufanschluss (Abbildung 53) wird die Deckung des Daches als stark belüftet
betrachtet und durch eine Randbedingung direkt auf der äußeren Dämmung idealisiert (Abbildung
54). Somit wurden in der verwendeten CAD-Anwendung Dachdeckung, Dachlatten und die äußere
Dachverkleidung entfernt.
Damit Isotherme an der adiabaten Grenze in der Dachschräge definierte Bedingungen aufweisen,
muss diese 90° zu ihrer Neigung geschnitten werden.
Abbildung 53 - Anschlussdetail 3 - Traufanschluss
Abbildung 54 - Traufanschluss - Materialien
Das Detail Traufanschluss wurde aus der Kalksandstein Detailsammlung35 („2.6.1“)entnommen.
In Tabelle 22 sind alle verwendeten Materialien mit zugehörigen Wärmeleitfähigkeiten aufgeführt.
Randbedingungen nach DIN 4108 Beiblatt 2:
Innen:
20°C
Außen:
-5°C
(Außenwand)
(Dachschräge)
Außenmaße: vertikal: 1,18 m, Schräge: 1,48 m
35
58
Tabelle 22 - Traufanschluss – Materialien
#
1
2
3
4
5
6
7
8
λ
[W/(m·K)]
Material
Mineralwolle
Gipskarton
EPS
Holz
Stahlbeton 1% armiert
Außenputz
Kalksandstein AW
Innenputz
7.3.1
mit
0,035
0,350
0,035
0,130
2,300
1,000
0,990
0,700
Therm
Beim Zeichnen von 45° Schrägen traten erste Probleme auf, denn die Linien werden nicht immer in
einem 45° Grad Winkel zu anderen Polygonen angezeigt und dies erschwert die Übersicht während
des Erstellens der Zeichnung.
Aufgrund einer beschränkten Materialbibliothek und dem Fehlen der Funktion des automatischen
Berechnens von U- und -Werten benötigt die Vorbereitung der Simulation wesentlich mehr Zeit
als bei anderen Programmen. Trotz Fangfunktion beim Nachziehen der CAD Vorlage gibt es
wiederholt Punkte, die übereinander liegen, obwohl sauber gezeichnet worden ist. Rundungen des
Ringankers stellen keine Herausforderung für Therm dar, denn diese werden durch kurze
Polygonketten idealisiert.
Bei dieser Simulation ergibt sich folgendes Ergebnis:
(über „total length“)
Eine Zusammenstellung der Ergebnisse der Berechnung mit Therm zeigt Tabelle 23.
Tabelle 23 - Traufanschluss Ergebnis – Therm
Arbeitsaufwand
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
45 min
-
0,4075
0,4223
-0,0148
59
7.3.2
WinIso
Anschlussdetail Traufanschluss stellte eine echte Herausforderung für WinIso dar. Es kam zu
ungewöhnlich langen Wartezeiten bei der Bearbeitung der DXF-Datei. Mehrfach hängte sich das
Programm auf. Ursache hierfür war die anfangs zu detaillierte Wahl der Dachschrägen„Abtreppung“. Anschließend wurde mit etwas größeren Elementabmessungen (Stufen) von 5mm
gearbeitet (Abbildung 55). Desweiteren erforderte das Definieren der Randbedingungen im Bereich
der langen Schräge einen hohen Zeitaufwand, wenn ein solcher Fall vorher noch nicht bekannt war.
Eine permanente Einschränkung ist das schwierige Scrollen bzw. das Ändern der Ansicht. Zudem
blendete sich die CAD-Vorlage aus, wenn eine Zeile oder Spalte selbst abseits dieser gelöscht wurde.
Nach 85 min war die Zeichnung des Anschlussdetails soweit vorbereitet, dass WinIso die
Wärmebrücke „Traufanschluss“ simulieren konnte.
Abbildung 55 - Traufanschluss - WinIso - Idealisierung der Schräge
Tabelle 24 zeigt die nach insgesamt 90 min ermittelten Ergebnisse.
Tabelle 24 - Traufanschluss Ergebnis – WinIso
Arbeitsaufwand
90 min
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
10,1490
0,4060
-
-0,0163
60
7.3.3
Flixo
Zum ersten Mal kam es bei einem DXF-Import von Flixo zu Problemen. Das Programm erkannte
einige Polygone mit einer Neigung von 45° nicht als verbunden mit auf sie treffenden Linien an,
obwohl diese Datei in einer CAD-Anwendung fehlerfrei gezeichnet wurde.
Deshalb waren wenige, zusätzliche Korrekturen notwendig, um die Polygonketten zu schließen. Der
Zeitaufwand hierfür war minimal (kleiner 2 min). Anschließend konnte die Simulation
durchgeführt werden.
Die Berechnung verlief reibungsfrei und ergab die in Tabelle 25 gezeigten Ergebnisse.
Tabelle 25 - Traufanschluss Ergebnis – Flixo
Arbeitsaufwand
25 min
7.3.4
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
10,1640
0,4066
0,4221
-0,0155
Argos
An minimalen Rundungen des Ringankers kam es aufgrund von Überschneidungen zu
Schwierigkeiten. Diese konnten jedoch durch nochmaliges Nachziehen der beiden
aufeinandertreffenden Flächen (Ringanker und Kalksandstein) und ein damit verbundenes
Idealisieren durch zwei Ecken an den Polygonen behoben werden.
Randbedingungen können, wie unter 5.4 erwähnt, im Programm weder eingesehen noch verändert
werden. Unter „Hilfe“ innerhalb der Anwendung findet sich jedoch eine Tabelle, die z.B. beschreibt
welcher Wärmeübergangswiderstand und welche Temperatur „Dach außen belüftet“ zugeordnet
wird: 0,10 (m²·K)/W und -5°C.
Ergebnisse der Simulation kann man Tabelle 26 entnehmen.
Tabelle 26 - Traufanschluss Ergebnis – Argos
Arbeitsaufwand
45 min
7.3.5
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
10,2141
0,4086
0,4247
-0,0133
Psi-Therm
Aufgrund der zuvor gesammelten Erfahrungen mit diesem Programm war es einfach möglich die
DXF-Datei „Traufanschluss“ zu importieren, Flächen zu füllen, Randbedingungen zu setzen und
schließlich die Wärmebrücke zu berechnen. Die beiden Rundungen des Ringankers wurden mit
jeweils einer Polygonkette mit zwei Gliedern idealisiert. Dieses Mal mussten U-Werte nicht manuell
berichtigt werden, da Psi-Therm sie korrekt bestimmte. Letztendlich zeigte das Programm nach 35
min die in Tabelle 27 gezeigten Ergebnisse.
Tabelle 27 - Traufanschluss Ergebnis – Psi-Therm
Arbeitsaufwand
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
35 min
10,1566
0,4063
0,4223
-0,0166
61
7.3.6
Fazit Traufanschluss
Wie Tabelle 28 zeigt, kam es bei Anschlussdetail Traufanschluss neben langen Bearbeitungszeiten
bei WinIso, Argos und Therm insgesamt zu auffälligen Variationen bezüglich des Ergebnisses des
linearen Wärmebrückenverlustkoeffizienten. Für
ergaben sich Werte von 0,0166 bis 0,0133
W/(m·K). Weshalb die Resultate bei selben Abmessungen, Materialien und Randbedingungen
derart stark abweichen, kann nicht zweifellos festgestellt werden. Einen entscheidenden Anteil hat
daran sicherlich die Schräge des Daches und die damit verbundene unterschiedliche Behandlung
seitens der Programme.
Tabelle 28 - Traufanschluss - Ergebniszusammenstellung
Programm
Arbeitsaufw.
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
Therm
45 min
-
0,4075
0,4223
-0,0148
WinIso
90 min
10,1490
0,4060
-
-0,0163
Flixo
25 min
10,1640
0,4066
0,4221
-0,0155
Argos
45 min
10,2141
0,4086
0,4247
-0,0133
Psi-Therm
35 min
10,1566
0,4063
0,4223
-0,0166
62
7.4. Fenstersturz mit Rollladenkasten
Abbildung 56 - Anschlussdetail 4 - Rollladenkasten
Detail Fenstersturz mit Rollladenkasten wurde aus der Unika Kalksandstein Detailsammlung36
(„7.7.2.11“) entnommen.
Das Anschlussdetail in Abbildung 56 wurde unter anderen für die beispielhafte Simulation gewählt,
da es Rundungen enthält und außerdem einen häufig vorkommenden Fall in der Praxis darstellt.
Randbedingungen nach DIN 4108 Beiblatt 2:
Innen:
20°C
Außen:
-5°C
Bezugspunkt für das Außenmaß ist hier die Unterkante des Rollladenkastens bzw. der Beginn des
Rohbaumaß des Fensters (Abbildung 57).
36
Unika Kalksandstein (2013): Unika Detailsammlung. http://www.unika-kalksandstein.de/72 (26.07.2013)
63
Abbildung 57 - Auszug aus 4108 Beiblatt 2 - Tabelle 7
Tabelle 29 - Rollladenkasten - Materialien
#
Material
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Außenputz
EPS
Kalksandstein AW
Innenputz
Zementestrich
Trittschalldämmung
Stahlbeton 1% armiert
XPS
Luftschicht
Polypropylen
Fensterersatz
λ
[W/(m*K)]
1,000
0,040
0,990
0,700
1,400
0,040
2,300
0,035
1,470
0,220
0,130
Abbildung 58 - Anschlussdetail Rollladenkasten - Materialien
In Tabelle 29 und Abbildung 58 sind die Positionen der verwendeten Baustoffe und deren
materialspezifischen Wärmeleitfähigkeiten zu erkennen. In Verbindung mit Abbildung 57 ergeben
sich folgende Wärmedurchgangskoeffizienten für die ungestörten Wandaufbauten:
und
64
Innerhalb des Rollladenkastens ist ein
Hohlraum mit einer Querschnittsfläche von ca.
26000 cm². Diese ist 17 cm breit, wird als
schwach belüftet betrachtet und, wie in
Abbildung 59 gezeigt, nach DIN 10077-2
Abschnitt 6.3.2 durch eine äquivalente
Wärmeleitfähigkeit λeq ersetzt.
Abbildung 59 - Rollladenkasten - Äquivalente Wärmeleitfähigkeit
7.4.1
Therm
Therm vereinfacht die durch das CAD-Programm gegebene Rundung im Rollladenkasten durch eine
Polygonkette von zwölf Gliedern. Durch diese Idealisierung wird eine einfache Definition der
Flächen möglich, ohne dass das Programm mit Rundungen rechnen muss. Denn Therm wäre
prinzipiell nicht in der Lage, Rundungen zu berechnen.
Ergebnis:
(über „total length“)
Rückrechnung des Wärmestroms:
Im Ergebnis der Simulation erhält man folgende Werte, die in Tabelle 30 zusammengefasst sind:
Tabelle 30 - Rollladenkasten Ergebnis – Therm
Arbeitsaufwand
45 min
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
56,8175
2,2727
2,0831
+0,1896
65
7.4.2
WinIso
Dieses Anschlussdetail konnte mit WinIso schnell und unkompliziert berechnet werden. Die
Rundung des Kastens wurde innerhalb des DXF-Editors vor importieren in WinIso „abgetreppt“.
Das restliche Füllen mit Materialien und Randbedingungen lief durch Drag and Drop, wie in
vorherigen Abschnitten beschrieben, ab.
Folgende Tabelle enthält die Ergebnisse der Simulation:
Tabelle 31 - Rollladenkasten Ergebnis – WinIso
Arbeitsaufwand
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
25 min
56,314
2,253
-
+0,1694
7.4.3
Flixo
Da alle Flächen wie gewohnt ohne großen Aufwand gefüllt werden konnten, verkürzte sich die
Bearbeitungszeit bei dieser Wärmebrücke im Vergleich zu anderen Programmen, die dies nicht
ermöglichen, erheblich. Dies wurde besonders in Bezug auf die runde Dämmung im
Rollladenkasten erkennbar.
Während der Simulation kam es zu keinerlei Problemen und es wurden die in Tabelle 32 gezeigten
Ergebnisse erzielt.
Tabelle 32 - Rollladenkasten Ergebnis – Flixo
Arbeitsaufwand
20 min
7.4.4
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
56,5330
2,2613
2,0831
+0,1790
Argos
Das Bearbeiten der Wärmebrücke lief bis auf die Innendämmung und den Lufthohlraum innerhalb
des Rollladenkastens, wie in den vorherigen Beispielsimulationen ab. Denn durch Definieren der
Flächen durch Polygone muss die obere Dämmung und der Luftraum, die beide an den Halbkreis
der Rundung grenzen, genau die selben Polygonpunkte besitzen. Dies ist ohne weiteres Wissen über
Rundungen im DXF-Import und ohne ausführliche Beschreibung darüber im Handbuch nicht
möglich.
Nach einer Supportanfrage per Telefon und E-Mail antwortete ZUB Kassel innerhalb eines
Nachmittages mit folgender Antwort:
„Sehr geehrter Herr Müller,
bitte erst das obere Element(Baustoff) mit Hilfe der Polygonpunkte den Halbkreis abbilden um die
Polygonpunkte beim nächsten Element(Baustoff) schneller zu finden können Sie diese mit Hilfslinien
markieren.
Bitte beachten Sie das der Support bei kostenlosen Lizenzen ausgeschlossen ist.”
66
Dank relativ schneller Beantwortung der Frage, trotz kostenloser Lizenz, konnte der
Rollladenkasten mit einer Polygonkette in Form von Hilfslinien abgebildet und die Wärmebrücke
berechnet werden.
Die reine Arbeitszeit betrug hier etwa 50 min, zusätzlich die Zeit, die es dauerte, bis die
Supportanfrage beantwortet wurde.
Die Ergebnisse der Simulation finden sich in Tabelle 33.
Tabelle 33 - Rollladenkasten Ergebnis – Argos
Arbeitsaufwand
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
50 min+
55,8543
2,2342
2,0595
+0,1747
7.4.5
Psi-Therm
Durch die Rundung innerhalb des Rollladenkastens und das verwinkelte Stahlblech (zwischen
beiden Dämmungen innerhalb des Kastens) kam es beim Nachziehen der Flächen zum Füllen mit
Materialien zu einem erhöhten Zeitaufwand. Außerdem musste für jede kleine Unregelmäßigkeit,
insbesondere an der Rollladenkasteninnenseite, stets abwechselnd eine horizontale und vertikale
Randbedingung gesetzt werden.
Trotz längerer Bearbeitungszeit verlief das Füllen und Setzen der Randbedingungen
unproblematisch und brachte folgende Ergebnisse hervor (Tabelle 34).
Tabelle 34 - Rollladenkasten Ergebnis – Flixo
Arbeitsaufwand
45 min
7.4.6
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
56,4270
2,2570
2,0830
+0,1744
Fazit Fenstersturz mit Rollladenkasten
Tabelle 35 - Rollladenkasten - Ergebniszusammenstellung
Programm
Arbeitsaufw.
[W/m]
L2D
[W/(m·K)]
L0
[W/(m·K)]
[W/(m·K)]
Therm
45 min
-
2,2727
2,0831
+0,1896
WinIso
25 min
56,3140
2,2530
-
+0,1694
Flixo
20 min
56,5330
2,2613
2,0831
+0,1790
Argos
50 min+
55,8543
2,2342
2,0595
+0,1747
Psi-Therm
45 min
56,4270
2,2570
2,0830
+0,1744
67
In Tabelle 35 sind alle Ergebnisse des Anschlusses Rollladenkasten noch einmal zusammengefasst.
Auffällig bei diesem Anschlussdetail ist, dass die Ergebnisse positive -Werte liefern. Dies geschieht,
da der Bezugspunkt an der unteren Ecke der Außendämmung liegt (siehe Abbildung 57 und
Abbildung 58). Die Außenmaße der ungestörten U-Werte (und damit L0) werden über diesen
Bezugspunkt definiert und somit wird der Wärmedurchgang des Rollladenkastens mit dem des
Wandaufbaus der Außenwand verglichen.
Letztendlich hat dies zu bedeuten, dass der Bereich des Rollladenkastens schlechter gedämmt ist,
als der Außenwandaufbau, mathematisch gesehen L2D größer ist als L0 (siehe auch Formel 1.3).
Wie erwartet gab es Programme, die wegen der Rundungen im Kastenbereich Probleme mit der
Eingabe hatten und somit auch bei der Vorbereitung des Simulierens zusätzliche Zeit benötigten.
Diese anfänglichen Schwierigkeiten haben keinerlei Einfluss auf das Ergebnis.
68
8
Bewertung
8.1. Bewertungsinstrumente
Für eine einheitliche Bewertung der Programme wurde eine Liste mit 33 Kriterien in sechs
Kategorien erstellt. Diese Liste ist unter 8.2 zu sehen.
Jedes Kriterium wird gemäß einer Bewertungsskala (
Tabelle 36) mit Punkten von 0 bis 10 beurteilt. Je höher die Punktzahl, desto positiver ist das
Kriterium bewertet.
Zusammenhängend hiermit wird auf die Notengebung der Technischen Universität Darmstadt 37
zurückgegriffen, um einen Vergleich zwischen Punkten und Noten möglich zu machen und eine
Durchschnittsnote mithilfe von Gewichtungen einzelner Kategorien zu realisieren. Denn eine am
Ende erreichte Gesamtpunktzahl sagt allein im Vergleich mit anderen Programmen etwas aus, lässt
jedoch keine Rückschlüsse über die tatsächlich geforderte Leistung zu.
Tabelle 36 - Bewertungsskala
Punkte
0
Note
5,0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
4,0
3,7
3,3
3,0
2,7
2,3
2,0
1,7
1,3
1,0
Bedeutung
nicht ausreichend
eine Leistung, die wegen erheblicher Mängel den Anforderungen nicht
mehr genügt
ausreichend
eine Leistung, die trotz ihrer Mängel noch den Anforderungen genügt
befriedigend
eine Leistung, die durchschnittlichen Anforderungen entspricht
gut
sehr gut
Beschreibung
eine Leistung, die erheblich über den durchschnittlichen Anforderungen
liegt
eine hervorragende Leistung
Um für die Simulation und das Arbeiten wichtige Faktoren stärker in die Bewertung einfließen zu
lassen, wurden Gewichtungen für die Kategorien „Funktionen“ (5%), „Einarbeiten“ (10%),
„Arbeiten mit der Software“ (30%), „Ablauf der Simulationen“ (30%), „Ergebnis der Simulationen“
(20%) und „Ergebnisdarstellung“ (5%) eingeführt. Punkte und Durchschnittsnoten der einzelnen
Kategorien werden jeweils mit dem festgelegten Prozentsatz multipliziert und anschließen
summiert.
Durchschnittswerte der Endnoten
Diese werden auf eine Nachkommastelle gerundet. Dies bedeutet, dass eine Note von beispielweise
2,45 auf 2,5 gerundet und somit als befriedigend gelten würde.
1,0 ≤
1,5 ≤
2,5 ≤
3,5 ≤
4,0 <
sehr gut
gut
befriedigend
ausreichend
mangelhaft
< 1,5
< 2,5
< 3,5
≤ 4,0
Die Tabelle der Endbewertung befindet sich unter Kapitel 11.3– „Endbewertung“ im Anhang - C.
37
TU Darmstadt (2013): Allgemeine Prüfungsbestimmungen der TU Darmstadt.
http://www.intern.tu-darmstadt.de/media/dezernat_ii/ordnungen/apb.pdf (09.09.2013), S.22
69
8.2. Die Kategorien der Bewertung
In diesem Kapitel werden die verschiedenen Kategorien und deren Kriterien genauer beschrieben.
8.2.1
Funktionen
„Funktionen“ bewertet die Fähigkeiten der Programme U- und
1. „Automatische
berechnet.
-Werte selbstständig zu errechnen.
-Wert Berechnung“ – Inwieweit das Programm den
-Wert eigenständig
2. „U-Wert Berechnung ungest. Wand“ – Ob und wie genau die U-Werte der ungestörten
Wandaufbauten von der Anwendung bestimmt werden.
8.2.2
Einarbeiten
Diese Kategorie behandelt alle Kriterien zu dem Prozess der Einarbeitung in die Software.
3. „Zeitaufwand“ – Wie viel Zeit ist im Vergleich zu anderer Software nötig, um sich
einzuarbeiten?
4. „Intuitives Verständnis d. Bedienbark.“ – Beschreibt die Möglichkeit für den Anwender rasch
und angenehm mit jeweiligem Programm umzugehen bzw. sich zurecht zu finden.
5. „Verständlichkeit und Vollständigkeit des Handbuches“ – Ob das Handbuch alle
Themen/Problemstellungen beinhaltet und verständlich erklärt, die während des Arbeitens
aufkommen können.
6. „Support“ – Hier wird bewertet, wie hilfreich und auch wie schnell mögliche
Supportanfragen beantwortet wurden. Zehn Punkte wurden vergeben, falls diese Hilfe nicht
in Anspruch genommen werden musste.
Die Zeit des Einarbeitens und der damit verbundene Aufwand ist schwer zu bestimmen bzw. zu
bewerten, da sie von vielen Faktoren, wie zum Beispiel individuellen Vorkenntnissen, besuchen
eines Lehrgangs, gegebener Literatur, zusätzliche Literatur und Unterstützung durch schon
erfahrene Personen abhängt.
8.2.3
Arbeiten mit der Software
Punkte 7 bis 22 beinhalten alle Bewertungen in Bezug auf den Umgang mit der Software während
des Vorbereitens der Simulation und auf zu investierenden Aufwand für die
Simulationsvorbereitung.
7. „Anordnung der Schalflächen“ – Sind alle Werkzeuge, die man häufig braucht sinnvoll und
übersichtlich angeordnet?
8. „Verändern der Ansicht, scrollen“ – Betrifft den intuitiven Umgang mit Zoomen und
Bewegen der aktuellen Ansicht.
9. „Zeichengenauigkeit des Editors“ – Bewertet, welche Genauigkeit beim Setzen der Punkte
und Polygone erreicht werden kann.
10. „Zeichenaufwand im Editor“ – Wie schnell kann eine Wärmebrücke ohne DXF-Import
innerhalb des Editors gezeichnet werden?
11. „Bearbeitbarkeit DXF nach Import“ – Ob nach Import einer CAD-Datei ein schnelles und
effektives Abändern dieser möglich ist.
70
12. „Umgang mit Rundungen“ – Hier soll bewertet werden, wie wenig manuelle Aufmerksam
einer Rundung innerhalb eines Anschlussdetails zuteilwerden muss.
13. „Import von Komponenten/ Details“ – In welchem Umfang ist es möglich Komponenten oder
vorbereitete Anschlussdetails bspw. des DIN 4108 Beiblatts 2 zu importieren?
14. „Qualität der Materialbibliothek“ – Bewertet die Baustoffvielfalt und Übersichtlichkeit der
Sortierung der Materialbibliothek.
15. „Anlegen neuer Materialien“ – Wie intuitiv und schnell ist das Anlegen ergänzender
Baustoffe möglich?
16. „Qualität Randbedingungsbibliothek“ – Bewertet die Randbedingungsvielfalt
Übersichtlichkeit der Sortierung der Randbedingungsbibliothek.
und
17. „Anlegen neuer Randbedingungen“ – Wie intuitiv und schnell ist das Anlegen ergänzender
Randbedingungen möglich?
18. „Automatische FEM-Netz-Erstellung“ – Bewertet, den Aufwand des Erstellens des Netzes für
die Finite Elemente Methode mit sinnvollen Einteilungen.
19. „Übersichtlichkeit Baustoffdarstellung“ – Ist das Wärmebrückendetail unter Verwendung
vieler verschiedener Materialien immer noch übersichtlich? Können alle Baustoffe farblich
auseinander gehalten werden?
20. „Zeitaufwand DXF-Vorbereitung“ – Wie viel Zeit muss durchschnittlich vom Einlesen der
DXF bis zum Füllen der Materialien aufgebracht werden?
21. „Aufwand Flächen füllen“ – Bewertet den Aufwand die Flächen des Anschlussdetails mit
Baustoffen zu füllen.
22. „Zeitaufw. Randbed. definieren“ – Wie viel Zeit wird im Vergleich benötigt, um alle
Randbedingungen zu definieren?
Am Ende ist es wichtig, welche Ergebnisgenauigkeit nach wie viel Aufwand und Zeit zu erwarten
ist. Bezüglich der Bewertung sollte deshalb nicht ausschlaggebend sein, wie das jeweilige Programm
rechnet oder aussieht. Deshalb wird an dieser Stelle bewusst nicht auf die Oberfläche bzw. das
Design oder auf die Anzahl der zum Simulieren verwendeten Elemente Wert gelegt.
Jedoch hängt eine intuitive bzw. einfache Bedienung stark von der Art und der Gestaltung der
Anwendungsoberfläche ab. Die Handhabung spielt bei der Vorbereitung einer Wärmebrückensimulation eine große Rolle.
8.2.4
Ablauf der Simulationen
Diese Kategorie beschreibt, wie aufwandsarm und problemfrei die sechs Beispielsimulationen
abliefen.
23. „Prüfreferenzfall 1“
24. „Prüfreferenzfall 2“
25. „Wärmebrücke 1 – Außenecke“
26. „Wärmebrücke 2 – Sockelanschluss“
27. „Wärmebrücke 3 – Traufanschluss“
28. „Wärmebrücke 4 – Rollladenkasten“
71
8.2.5
Ergebnis der Simulationen
„Ergebnis der Simulation“ umfasst alle Kriterien bezüglich der Ergebnisse der Simulationen.
29. „Übersichtlichkeit Ergebnisausgabe“ – Wie übersichtlich wird das Ergebnis der Simulation
für den Anwender ausgegeben?
30. „Ergebnisgenauigkeit“ – Wie präzise rechnet das jeweilige Programm im Vergleich zu den
anderen Anwendungen?
31. „Eigenaufwand für -Wert-Berechnung“ – Muss der -Wert vom Anwender selbst berechnet
werden bzw. wie viel Eigeninitiative/Kontrolle ist nötig?
In Kapitel 11.2 „Ergebnisse der vier Anschlussdetails“ des Anhangs werden alle Ergebnisse der vier
Simulationen in einer Tabelle zusammengefasst und Abweichungen von Mittelwerten dargestellt.
Für die Bewertung des Punktes 30 „Ergebnisgenauigkeit im Vergleich“ der Endbewertung werden
mittlere programmspezifische Abweichungen wie in folgender Aufstellung und Tabelle 37 bewertet:
10 Punkte: 0,0 % < mittl. Abw. ≤ 1,0 %
09 Punkte: 1,0 % < mittl. Abw. ≤ 2,0 %
08 Punkte: 2,0 % < mittl. Abw. ≤ 3,0 %
07 Punkte: 3,0 % < mittl. Abw. ≤ 4,0 %
06 Punkte: 4,0 % < mittl. Abw. ≤ 5,0 %
05 Punkte: 5,0 % < mittl. Abw. ≤ 6,0 %
Tabelle 37 - Bewertung der mittleren Abweichungen
Programm
Therm
WinIso
Flixo
Argos
Psi-Therm
8.2.6
Mittl. Abw.
2,7 %
3,1 %
0,8 %
5,5 %
3,1 %
Punkte
8
7
10
5
7
Ergebnisdarstellung
Hier werden grafische sowie exportspezifische Möglichkeiten der Programme bewertet.
32. „Grafische Ergebnisdarstellung“
- Wie übersichtlich und grafisch ansprechend sind
ausgegebene Grafiken (Isotherme, Wärmeströme, Temperaturfelder usw.) gestaltet?
33. „Exportfunktion für Dokumentation“ – Bewertet Möglichkeiten des Exports und Einbindens
der Grafiken sowie Ergebnisse bspw. in Word, Berichten oder Bilddateien.
72
9
Fazit
Durch Simulieren von zwei Prüfreferenzfälle und vier Beispieldetails mit jedem der fünf Programme
wurden deren Stärken und Schwächen in sichtbar. Die abschließende Bewertung in gewichteten
Kategorien zeigt diese Vor- und Nachteile.
Trotz der sehr ähnlichen Ergebniswerte jeder Software, bezüglich des zu erreichenden linearen
Wärmebrückenverlustkoeffizienten, gestaltet sich die Vorbereitung der Simulation durch den
Anwender sehr unterschiedlich. Mit Ausnahme von Flixo, ist die Einarbeitungszeit zu Beginn bei
allen Programmen hoch. Sie hängt auch stark von individuellen Vorkenntnissen ab. Besonders hier
spielt die Qualität des Handbuches und Supports, gerade in Bezug auf den Import von CAD-Dateien,
eine wichtige und nicht zu vernachlässigende Rolle.
Nachdem ein Verständnis für die Arbeitsweise der Software gegeben ist, können komplexe
Wärmebrücken bedenkenlos mit jedem dieser Programme simuliert werden. Denn jedes dieser
Anwendungen lieferte Ergebnisse der Anschlussdetails, die richtig waren und somit spricht nichts
gegen eine Verwendung in der Praxis. Trotzdem sollte der Anwender immer prüfen, ob das
erzielte Ergebnis seinen Erfahrungen nach korrekt sein kann. Bei Psi-Therm kam es beispielsweise
bei der "automatischen Berechnung" mitunter zu falschen U-Werten, wodurch ein falscher -Wert
berechnet wurde. Eine manuelle Kontrolle und Korrektur war vonnöten.
Die größte Fehlerquelle bei einer Wärmebrückensimulation stellen jedoch falsche Eingaben seitens
des Benutzers dar (z.B. falsch gewählte Randbedingungen oder Wärmeleitfähigkeiten von
Baustoffen).
Auch Bearbeitungszeiten, bis eine Simulation durchgeführt werden kann, variieren von Programm
zu Programm sehr stark. Diese können durch fortschreitende Erfahrungen beim Arbeiten mit der
Software nur bedingt minimiert werden, da viele Abläufe dennoch immer wieder durchgeführt
werden müssen. Bei gleichartigen Anschlussdetails kann hingegen die Bearbeitungszeit geringer
ausfallen, da hier bereits Erfahrungswerte vorliegen.
Dass bei dieser Thesis DXF-Import als Voraussetzung und wesentlicher Bestandteil der
Untersuchungen als Bedingung gewählt wurde, stellte für Programme wie Argos und Psi-Therm ein
Problem dar. Denn bei diesen Programmen scheint der Fokus eher auf Zeichnen von Wärmebrücken
innerhalb der Anwendung, als auf dem Import von CAD-Dateien, zu liegen. Da WinIso speziell für
das Simulieren von Fensteranschlüssen konzipiert wurde (im gesamten Handbuch werden allein
Fensterrahmendetails behandelt), wäre es innerhalb der Kategorie „Ablauf der Simulationen“
sicherlich besser bewertet worden, wenn ein Fensterrahmenschnitt unter den ausgewählten
Beispieldetails gewesen wäre. Aus den Abläufen der Simulationen lässt sich schlussfolgern, dass es
für andere Wärmebrücken Einschränkungen gibt.
Nach Ansicht des Verfassers besteht, mit Ausnahme von Flixo, bei den getesteten Programmen noch
Bedarf, sich in verschiedenen Punkten, wie z.B. Navigation, DXF-Import, Vollständigkeit des
Handbuches und einfacher Bedienung, zu verbessern - gerade in Anbetracht der Preise. Trotz
ansprechenden Oberflächen, zeigt es sich schnell, dass viele Funktionen nur zeitintensiv und
schwierig auszuführen sind.
Sollte man die Verwendung einer dieser Softwares in Betracht ziehen und diese Entscheidung ist
abhängig von finanziellen Umständen, dann empfiehlt es sich zu analysieren, wie viele
Wärmebrücken täglich berechnet werden sollen und nach welchem Zeitraum eine teurere Software
aufgrund eingesparter Arbeitszeit und damit zusammenhängenden Lohnkosten amortisiert wird.
Weitere Evaluierungskriterien sollten sein, ob Anschlussdetails als CAD-Datei importiert werden
oder ob im Programm gezeichnet werden soll.
Im Rahmen dieser Bachelor Thesis wurden verschiedene Wärmebrückenprogramme analysiert. Das
Ergebnis der Analyse kann für den Auswahlprozess eines Programmes zur Wärmebrückenberechnung herangezogen werden, da verschiedenste Einflüsse detailliert diskutiert wurden. Für
jeden einzelnen Fall sollte der potenzielle Anwender prüfen, ob sich individuelle Anforderungen in
den Bewertungskriterien und deren Gewichtungen dieser Bachelor Thesis widerspiegeln.
73
10 Literaturverzeichnis
10.1. Verwendete Literatur
Feist, Wolfgang; Born, Rolf; Hessisches Ministerium für Umwelt (2012):
„Wärmebrücken – Ursachen und Auswirkungen“
Informationsbroschüre für Endverbraucher, Wiesbaden
Feist, Wolfgang; Passivhaus Institut (2010):
„Protokollband Nr. 16 - Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser - Wärmebrückenfreies
Konstruieren“
9. Auflage, Darmstadt
„Protokollband Nr. 27 - Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser – Wärmeverluste durch das
Erdreich“
„Protokollband Nr. 35 - Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser - Wärmebrücken und
Tragwerksplanung – die Grenzen des wärmebrückenfreien Konstruierens“
Fischer, Jenisch, Stohrer, Homann, Freymuth, Richter, Häupl (2008):
„Lehrbuch der Bauphysik“
6. Auflage, Wiesbaden
Gebhardt, Christof (2011):
„Praxisbuch FEM mit ANSYS Workbench - Einführung in die lineare und nichtlineare Mechanik“,
München
Gierga, Michael (2010):
„EnEV 2009 – Energieeinspar-Verordnung – Leitfaden für Wohngebäude“
Arbeitsgemeinschaft Mauerziegel e.V., Bonn
Goris, Alfons (2012):
„Schneider – Bautabellen für Ingenieure“
20. Auflage, Köln
Infomind GmbH (2013):
„flixo pro Version 7 Handbuch“, Zürich
Kwapich, Thomas; Lukas, Henri; Deutsche Energie-Agentur GmbH (2009):
„EnEV kompakt.“
1. Auflage, Berlin
Mayr, Martin; Thalhofer, Ulrich (1993):
„Numerische Lösungsverfahren in der Praxis“
München, Wien
74
Volland, Johannes; Pils, Michael; Skora, Timo (2012):
„Wärmebrücken – erkennen, optimieren, berechnen, vermeiden“
1. Auflage, Regensburg
Übelhör, Christian (2003):
„Vergleich von Computerprogrammen zur Berechnung von zweidimensionalen Wärmeströmen“ –
Diplomarbeit, Rosenheim
10.2. Verwendete DIN-Normen
Normenausschuss Bauwesen (NABau) im DIN (2003):
DIN 4108-6 - Berechnung des Jahresheizwärme- und des Jahresheizenergiebedarfs. Berlin
DIN 4108 Beiblatt 2 - Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden –
Wärmebrücken – Planungs- und Ausführungsbeispiele. Berlin
DIN V 18599-2 - Energetische Bewertung von Gebäuden. Berlin
DIN 4108-2 - Mindestanforderungen an den Wärmeschutz. Berlin
DIN EN ISO 10211 - Wärmebrücken im Hochbau - Wärmeströme und Oberflächentemperaturen.
Berlin
DIN 4108-8 - Vermeidung von Schimmelwachstum in Wohngebäuden. Berlin
DIN EN ISO 10456 - Baustoffe und Bauprodukte – Wärme- und feuchtetechnische Eigenschaften.
Berlin
DIN EN ISO 10077-2 - Wärmetechnisches Verhalten von Fenstern, Türen und Abschlüssen. Berlin
10.3. Verwendete Internetquellen
Bundesverband Kalksandsteinindustrie eV (2011):
Kalksandstein Detailsammlung.
http://www.kalksandstein.de/bv_ksi/bv_ksi/downloadcenter.php?page_id=13069&filter=13262
(26.07.2013)
Bundesverband Kalksandsteinindustrie eV (2011):
Kalksandstein Wärmebrückenkatalog.
http://www.ks-original.de/uploads/live/downloads/files/35/waermebrueckenkatalog.pdf
(26.07.2013).
75
Deutsche Energie-Agentur (2008):
Wärmebrücken in der Bestandssanierung.
https://www.kfw.de/inlandsfoerderung/Dokumente/PB/Bestandsimmobilien/LeitfadenW%C3%A4rmebruecken-in-der-Bestandssanierung.pdf (20.08.2013)
Glück, Bernd (2011):
Simulationsmodell zweidimensionale Wärmeleitung.
berndglueck.de/dl/?dl=Waermeleitung+Bericht_Waermeleitung.pdf (01.07.2013)
Herbert, Carsten; ENERGIE & HAUS (2013):
Wärmebrückenportal.
http://www.waermebrueckenportal.de (23.07.2013)
Lawrence Berkeley National Laboratory (2013):
Therm Handbuch.
http://windows.lbl.gov/software/NFRC/SimMan/NFRCSim6.3-2013-07-Manual.pdf (12.06.2013)
Sommer Informatik (2013):
WinIso Handbuch.
http://www.sommer-informatik.de/010196/bauphysik/WinIso2D/handbuch/
Handbuch_WinIso2d.htm (17.06.2013).
TU Darmstadt (2013):
Allgemeine Prüfungsbestimmungen der TU Darmstadt.
http://www.intern.tu-darmstadt.de/media/dezernat_ii/ordnungen/apb.pdf (09.09.2013)
Unika Kalksandstein (2013):
Unika Detailsammlung.
http://www.unika-kalksandstein.de/72 (26.07.2013)
Vision World (2011):
Psi-Therm Handbuch.
http://www.download.enev.net/Handbuch-Psi-Therm-2011.pdf (11.07.2013)
Willems, Wolfgang M. (2011):
Wärmebrücken und Sommerlicher Wärmeschutz.
http://www.ruhr-uni-bochum.de/bauko/mam/content/i-waerme-c-waermebruecken-v-1-3.pdf
(11.07.2013)
ZUB Kassel (2013):
Argos 2012 Handbuch.
http://www.zub-systems.de/files/downloads/ZUB-Argos-2012-Handbuch.pdf (03.07.2013)
76
11 Anhang
11.1. Berechnung der Oberflächentemperaturen
Berechnung der inneren Oberflächentemperatur 38
θsi
θi
θe
Rsi
U
Δθ
Temperatur an innerer Oberfläche
Temperatur der Raumluft [°C]
Temperatur der Außenluft [°C]
innerer Wärmeübergangswiderstand [m²K/W]
Wärmedurchgangskoeffizient
Temperaturunterschied [K]
Berechnung der Temperatur innerhalb eines Bauteils
θn
Rn
q
Temperatur nach der n-ten Schicht [°C]
innerer Wärmedurchlasswiderstand der n-ten Schicht [m²K/W]
Wärmestromdichte mit q = U * (θsi – θe) [W/m²]
Mit den oben genannten Formeln können also die Temperaturen an der Bauteiloberfläche innen
und im inneren der verschiedenen Bauteilschichten berechnet werden. Die Ergebnisse benötigt
man, um die Temperaturfaktoren f und fRsi zu bestimmen.
Berechnung über Innentemperatur
Berechnung über innere Oberflächentemperatur
Mit
kann die Temperatur
an der kältesten Stelle einer Wärmebrücke
berechnet werden, vorausgesetzt vorher wurde der f Rsi Wert berechnet.
Die Summe von f und fRsi muss immer 1 ergeben:
Der U-Wert eines Bauteils kann auch durch Kenntnis einzig von f und Rsi bestimmt werden:
mit hi = 1/Rsi
38
Volland, Pils, Skora:„Wärmebrücken – erkennen, optimieren, berechnen, vermeiden“ S. 16 Formel 1.1
Anhang: A
11.2. Ergebnisse der vier Anschlussdetails
Tabelle 38 - Ergebnisse aller Programme und Anschlussdetails
Anhang: B
11.3. Endbewertung
Tabelle 39 - Endbewertung
Anhang: C
Erklärung zur Abschlussarbeit gemäß §23, Abs. 7APB
Hiermit erkläre ich, die vorliegende Abschlussarbeit ohne Hilfe Dritter und nur mit den
angegebenen Quellen und Hilfsmitteln angefertigt zu haben. Alle Stellen, die aus den Quellen
entnommen wurden, sind als solche kenntlich gemacht worden. Diese Arbeit hat in gleicher oder
ähnlicher Form noch keiner Prüfungsbehörde vorgelegen.
Darmstadt, den 02.10.2013
Martin Müller

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