A1. Gebäudehüllen gestern, heute und morgen
Die Analyse früherer und heutiger funktionaler, konstruktiver und konzeptioneller Aspekte von Gebäudehüllen zeigt ein Anwachsen der Komplexität. In der Zukunft werden neue Produkte entstehen, die ohne die Integration digitaler Technologien nicht realisierbar wären. Damit steigt auch der Trend zur Konvergenz der Gewerke. In einem derartigen Szenario gilt es, „die richtigen Dinge zu tun“. Das bedeutet u.a., so viel Technik wie nötig, aber so wenig Technik wie möglich einzusetzen. Als wirkungsvolles Mittel zur Beherrschung der Komplexität erweisen sich Produktordnungssysteme. Ihr Grundprinzip ist Individualisierung nach außen bei gleichzeitiger Standardisierung nach innen. Wir stehen vor der Herausforderung, alle Produkte und Prozesse digital zu vernetzen und zu visualisieren. Spätestens dann hat die vierte industrielle Revolution auf das Bauen und die Architektur des 21. Jahrhunderts einen ebenso signifikanten Einfluss, wie die früheren industriellen Revolutionen auf die heutige Bausubstanz.
A2. Auswirkungen der Entwicklung zu Niedrigstenergiegebäuden auf die Gebäudehülle
Die Europäische Union strebt eine Reduktion des Energieverbrauches im Gebäudesektor an. Durch Vorgaben in der Europäischen Richtlinie 2010/31/EU wird die Definition von nationalen Niedrigstenergiegebäudestandards gefordert. In diesem Beitrag wird, nach einer Einführung in die Entwicklung des Wärmeschutzes in Deutschland und einem Überblick über die Richtlinien zur Einführung von nearly zero energy buildings, eine im Rahmen der Forschungsinitiative „Zukunft Bau“ geförderte Forschungsarbeit zur Definition eines Niedrigstenergiegebäudestandards für Deutschland vorgestellt. Hierbei wird zuerst auf die Methodik eingegangen, um dann erste Ergebnisse einer Variantenuntersuchung an einem Modellgebäude vorzustellen und zu diskutieren.
B1. Dämmstoffe im Bauwesen
Vor dem Hintergrund des Energieeffizienten Bauens gilt es, den Transmissionswärmebedarf von Gebäuden auf ein Minimum zu reduzieren. Der Einsatz von Wärmedämmstoffen in der konstruktiven Ausgestaltung der entsprechenden Gebäudehülle ist damit unverzichtbar.
Nun ist das Angebot an Dämmstoffen äußerst weitgespannt – es reicht von Schilfgras als im wahrsten Sinne des Wortes nachwachsendem Dämmstoff über diverse Schaumkunststoffe bis hin zu evakuierten Dämmstoffen, sogenannter Vakuumdämmung.
Mit dem Beitrag werden dem Architekten und/oder Fachplaner ein knapp gefasster Überblick über die unterschiedlichen Dämm-Materialien und ihre zentralen bauphysikalischen sowie ökologischen Kennwerte und – sofern möglich – Anhaltswerte für die jeweils zu erwartenden Materialkosten gegeben. Alle wesentlichen Kennwerte werden dazu im Vorfeld erläutert. Die Auflistung erfolgt wertungsfrei in alphabetischer Reihenfolge und deckt die gesamte, aktuell verfügbare Dämmstoffpalette des Bauwesens ab.
B2. Strukturierte Aerogelputze
Für die thermische Verbesserung von historischen Gebäuden stellt ein Hochleistungsdämmputz auf Aerogelbasis eine interessante Alternative zu den üblichen Wärmedämmputzen dar. Bei der Anwendung an historischen Gebäuden gilt es, neben den bauphysikalischen Eigenschaften des Putzes, auch entsprechende gestalterische Faktoren zu erfüllen. Dadurch entstehen spezielle Anforderungen an die entsprechenden Deckputzsysteme, die im Rahmen dieser Studie genauer untersucht wurden. Konkret wurde eine Langzeituntersuchung unterschiedlicher Testaufbauten mit Aerogel-Dämmung samt entsprechenden Oberflächenausführungen durchgeführt. Dabei wurden die Wärmedämmeigenschaften in situ überprüft und das hygrothermische Verhalten der Wandaufbauten mit unterschiedlichen Deckputzsystemen untersucht.
C1. Vereinfachter Nachweis des Tauwasserschutzes nach DIN 4108-3:2014
Im Beitrag werden die bauphysikalischen Grundlagen des Tauwasserausfalls im Bauteilinnern vorgestellt.
Für den Nachweis des Tauwasserschutzes liegen seit Ende 2014 sowohl DIN EN ISO 13788:2013-05 als auch DIN 4108-3:2014-11 als nationale Restnorm mit deutschen Randbedingungen vor. Nach Darstellung des beiden Normen zugrunde liegenden Berechnungsverfahrens – des sog. Glaser-Verfahrens – folgen der national geregelte vereinfachte Nachweis mit dem Perioden-Bilanzverfahren mit Randbedingungen und Klimaannahmen nach DIN 4108-3 sowie die ebenfalls national genormten Bauteile ohne rechnerischen Nachweis. Beide Nachweise werden ergänzt durch vollständig durchgerechnete Beispiele einer massiven Flachdach- und einer hölzernen Außenwandkonstruktion.
Schließlich werden über beide Normen hinausgehende, genauere Untersuchungen mit aufwendigen EDV-Programmen kurz vorgestellt.
C2. Schlagregenschutz von Außenwänden nach DIN 4108-3:2014
Fassaden werden von der Witterung unterschiedlich beansprucht und müssen entsprechend geschützt werden. Im Beitrag werden die Schlagregenbeaufschlagung von Fassaden, die Mechanismen des Schlagregeneintritts bei verschiedenen Fassadenbauarten sowie der Schlagregenschutz kapillarporöser Außenwände durch aufeinander abgestimmte Befeuchtung und Trocknung vorgestellt. Für den Nachweis des Schlagregenschutzes liegt seit Ende 2014 die DIN 4108-3:2014-11 vor. Darauf basiert die normgemäße Ermittlung der drei in Deutschland anzusetzenden Beanspruchungsgruppen. Daraus resultieren genormte Bauarten von Außenwänden, die für diese Beanspruchungsgruppen geeignet sind.
Diese sind im Beitrag ebenfalls dargestellt.
C3. Wärmebrücken Berechnung – Bewertung – Vermeidung
Die Anforderungen an die energetische Qualität der Gebäudehülle sind in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen. Die Einhaltung der Anforderungen nur über eine Erhöhung der Dämmschichtdicken zu realisieren, ist nicht sinnvoll, weil in der Regel unwirtschaftlich. Begleitend müssen auch die Anschlusspunkte optimiert werden, sodass an diesen Wärmebrücken möglichst geringe oder gar keine zusätzlichen Wärmeverluste entstehen.
Bei der Festlegung der Anschlussdetails im Rahmen der Ausführungsplanung ist ferner zu beachten, dass nicht nur die Wärmeverluste maßgebend sind, sondern grundsätzlich besonders der Mindestwärmeschutz einzuhalten ist. Nur so lassen sich Feuchteschäden durch Schimmelpilzwachstum und Tauwasserbildung vermeiden oder zumindest deren Risiko vermindern.
Mit dem vorliegenden Beitrag wird dem Architekten und/oder Fachplaner ein Einstieg und Überblick über die unterschiedlichen Aspekte des Themas „Wärmebrücken“ gegeben. Ferner werden die Grundzüge der Wärmebrückenberechnung und -bewertung dargelegt. Anhand von Beispielen werden die verschiedenen Themen für die praktische Anwendung aufbereitet.
C4. Infrarot-Thermografie der Gebäudehülle
Die Verwendung der Infrarotthermografie zur Bestimmung der Oberflächentemperatur hat sich im Bauwesen etabliert. Als eine vor allem zerstörungsfreie Untersuchungsmethode zur Sichtbarmachung der aktuellen Temperaturverteilung wird sie im Rahmen von Bestandsdokumentationen, Gutachten und Kontrollen der Bauausführung eingesetzt und liefert schnell verfügbare Informationen für eine sinnvolle Beurteilung. Der vorliegende Beitrag stellt die Grundlagen der Bauthermografie dar, weist auf die Besonderheiten beim Thermografieren hin und zeigt praktische Anwendungen der Thermografie auf. Die Thermografie ist hierbei als ein Hilfsmittel der Beurteilung zu verstehen; die letztendliche Bewertung der vorgefundenen Situation ist nur mit ergänzendem Fach- bzw. Sachverstand und Erfahrungswerten der auswertenden Person und der Kenntnis zum Objekt möglich. Im Beitrag wird auch auf die zu erwartenden Fehler bei Fehleingaben und unklaren Umgebungsrandbedingungen eingegangen. Diese Kenntnis ist wichtig, um die Aussagekraft der thermografischen Untersuchungen sicher bewerten zu können.
Weiterhin wird dem Anwender die Wirkung der Farben eines Thermogramms bewusst gemacht und ebenso der Umstand, dass Thermogramme in der suggerierten Wirkung manipulierbar sein können. Hierzu werden dem Nutzer auch zitierte Regeln zur Gestaltungsneutralität aufgezeigt, die zu einer einheitlicheren Darstellungsweise beitragen können.
C5. Messtechnische und softwarebasierte Untersuchungen an Fassaden und fassaden-integrierten Kollektoren anhand von Prototypen
Durch die Integration von energiegewinnenden Bauteilen und Serviceeinrichtungen zur Raumkonditionierung in Fassaden entstehen Multifunktionsfassaden. Ein hoher Vorfertigungsgrad, einfache Montage, lösbare Verbindungen und ein integriertes Gesamtsystem führen zur Plug & Play-Fähigkeit.
Diese Hypothesen standen am Anfang des fünfjährigen Forschungsprojektes „Multifunctional Plug & Play Facade“ (mppf). Partner aus Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft haben Komponenten und Möglichkeiten der Funktionserweiterung untersucht und zwei Prototypen entwickelt. Prototyp I hatte die Untersuchung der Teilkomponenten im Fokus, Prototyp II als „proof of concept“ eine Integralfassade. Dieser wurde und wird einer intensiven messtechnischen Evaluierung unterzogen, die die Basis für die nachfolgende wissenschaftliche Bearbeitung darstellt. Mehrdimensionale Berechnungen von Wärmebrücken und CFD-Simulationen von Aufheizungserscheinungen und Hinterlüftung wurden durchgeführt und mit den Messdaten validiert.
C6. Luftdichtheit der Gebäudehülle in Planung, Ausführung und Messung
Der Beitrag thematisiert, wie Planer und Bauleiter die Anforderungen an die Gebäudehülle hinsichtlich der luftdichten Ausführung sicher erreichen. Es werden Grenzwerte, Planungsschritte, Baustellenkontrollen und die abschließende Luftdichtheitsmessung beschrieben. Die Erläuterungen beziehen sich auf kleine Gebäude, Ein- und Mehrfamilienhäuser, kleine öffentliche Gebäude, wie z. B. Kindergärten, sowie kleinere Gewerbeimmobilien, aber auch auf große Gebäude, wie z. B. Kongressgebäude, Nationalbibliotheken, Logistikhallen.
C7. Schallschutz der Gebäudehülle
Die Gebäudehülle als Abschluss zur Umgebung unterliegt in der Nutzungsphase verschiedenen Einflüssen sowie den Wechselwirkungen mit der Umgebung. Durch die immer schärfer werdenden Anforderungen des baulichen Wärmeschutzes verschlechtert sich nicht selten das akustische Verhalten der Hülle. Die technische Komplexität neuer Bauweisen und Konstruktionen macht große Probleme, die Gebäude schalltechnisch „mängelfrei" auszuführen.
In diesem Beitrag wird die Bedeutung der Gebäudehülle für den baulichen Schallschutz erläutert und die wichtigen akustischen Grundlagen dazu behandelt. Darauf aufbauend wird das akustische Verhalten traditioneller Bauweisen dargestellt. Anschließend wird die akustische Wirksamkeit von Glaskonstruktionen und Glasdoppelfassaden diskutiert und ihre Vor- und Nachteile aufgezeigt. Die akustischen Erkenntnisse zu textilen Gebäudehüllen werden wiedergegeben. Eine Abhandlung der Schalldämmung von Trennbauteilen unter Freifeldeinwirkung rundet den Beitrag ab.
C8. Tageslicht in Gebäuden
Eine qualifizierte, integrale Gebäudeplanung, die auf den Bedürfnissen der Nutzer basiert, verbessert die energetische Gesamtbilanz eines Gebäudes und erhöht gleichzeitig die Aufenthaltsqualität. Es werden die Grundlagen zum Solarstrahlungs- und Tageslichtangebot zusammengestellt und Möglichkeiten der Tageslichtnutzung im Innenraum aufgezeigt. Hierzu werden Komponenten der Tageslichttechnik beschrieben: Verglasungen, Sonnenschutzeinrichtungen, Tageslichtlenksysteme, Oberlichter und Heliostaten. Eine Übersicht zu Planungsprogrammen wird mitgeteilt. Abschließend werden photoinduzierte Effekte bezüglich chemischer und biologischer Reaktionen sowie medizinischer Wirkungen der Solarstrahlung im Innenraum behandelt.
D1. Nachweisführung für Innendämmsysteme
Die Innendämmung ist heute eine ernsthafte Alternative bei der energetischen Sanierung insbesondere von Bestandsgebäuden. Die bauphysikalischen Auswirkungen sind komplexer als bei der vergleichbaren außenliegenden Dämmung, jedoch sind die Risiken beherrschbar. In Abhängigkeit von der Bestandskonstruktion bieten sich unterschiedliche Feuchtemanagementsysteme an. Von diffusionsdichten, Kondensat vollständig unterbindenden Systemen bis hin zur Tolerierung und der bewussten Lenkung des Kondensatausfalls gibt es zahlreiche Lösungen, mit dem erhöhten Tauwasserrisiko umzugehen. Die WTA-Merkblätter zur Innendämmung bieten hier Planungshilfe und abgestufte Nachweisverfahren.
D2. Wärmebrückenproblematik bei Fenstern
Mit der zukünftigen Fassung des Beiblatts 2 der DIN 4108 erfolgt die Einteilung von Bauteilanschlüssen in die Kategorien A und B, wobei die Kategorie B das verbesserte energetische Niveau beschreibt. Für Fenster- und Fenstertüranschlüsse bedeutet diese Einteilung eine differenzierte Betrachtung der Lage des Fensters bzw. der Fenstertür innerhalb der Laibung, wobei das Niveau B in der Regel eine Verlagerung des Fensters in die Dämmebene verlangt.
Zukünftig werden Fenster, Fenstertüren, Rollläden und Dachflächenfenster bei Führung des rechnerischen Gleichwertigkeitsnachweises über ein Ersatzsystem mit Korrekturwerten für den berechneten längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten Ψ beaufschlagt, um Diskrepanzen zwischen detaillierter Berechnung und Berechnung mit dem Ersatzsystem auszugleichen.
Bei Modernisierungs- und Instandsetzungsmaßnahmen von Gebäuden ist ein besonderes Augenmerk auf Wärmebrücken in den Anschlussbereichen vom Fenster zum Baukörper zu legen. Sollte der Mindestwärmeschutz nicht gewährleistet sein, sind flankierende bauliche Maßnahmen zur Sicherstellung der hygienischen Mindestanforderungen zwingend erforderlich.
D2. Wärmebrückenproblematik bei Fenstern
Mit der zukünftigen Fassung des Beiblatts 2 der DIN 4108 erfolgt die Einteilung von Bauteilanschlüssen in die Kategorien A und B, wobei die Kategorie B das verbesserte energetische Niveau beschreibt. Für Fenster- und Fenstertüranschlüsse bedeutet diese Einteilung eine differenzierte Betrachtung der Lage des Fensters bzw. der Fenstertür innerhalb der Laibung, wobei das Niveau B in der Regel eine Verlagerung des Fensters in die Dämmebene verlangt.
Zukünftig werden Fenster, Fenstertüren, Rollläden und Dachflächenfenster bei Führung des rechnerischen Gleichwertigkeitsnachweises über ein Ersatzsystem mit Korrekturwerten für den berechneten längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten Ψ beaufschlagt, um Diskrepanzen zwischen detaillierter Berechnung und Berechnung mit dem Ersatzsystem auszugleichen.
Bei Modernisierungs- und Instandsetzungsmaßnahmen von Gebäuden ist ein besonderes Augenmerk auf Wärmebrücken in den Anschlussbereichen vom Fenster zum Baukörper zu legen. Sollte der Mindestwärmeschutz nicht gewährleistet sein, sind flankierende bauliche Maßnahmen zur Sicherstellung der hygienischen Mindestanforderungen zwingend erforderlich.
D3. Doppelfassaden mit Kombination von Schallschutz und (natürlicher) Lüftungsmöglichkeit
Die Gebäudehülle dient als Schnittstelle zwischen Innen und Außen und hat als solche einen großen Einfluss auf diverse physikalische Transportvorgänge. Beispielsweise beeinflusst die Ausgestaltung der Gebäudefassade stark den Energie- und Massetransfer zwischen Innen und Außen (Frischluft, Feuchtigkeit, solare Einstrahlung und Tageslicht, aber auch Schall). Über viele Jahrhunderte stellte in weiten Teilen der Welt die natürliche Lüftung, die mit öffenbaren Elementen der Fassade (hauptsächlich Fenstern) durchgeführt wurde, die Hauptfrischluftversorgung in Bauwerken sicher. Auch heute wird natürliche Lüftung immer noch als effiziente Methode zum Lüften und Kühlen verstanden und als wesentlich für gute Luftqualität für den Innenraum betrachtet. Neben den klimatischen Randbedingungen, die einen solchen natürlichen Luftaustausch beeinflussen, liegen allerdings in der heutigen Zeit oftmals Außen-Bedingungen vor, die die Verwendung der natürlichen (Fenster-)Lüftung negativ beeinträchtigen. Dazu gehören Luftverschmutzung und Lärmbelastung. Diese Beeinträchtigungen, speziell die Schallübertragung, waren der Ausgangspunkt für eine umfassende Untersuchung des Potenzials von doppelschaligen Fassadenkonstruktionen, mit welchen sowohl ausreichender Schallschutz als auch gleichzeitige natürliche Lüftung sichergestellt werden soll. Ausgehend von einem Versuchsaufbau einer modularen doppelschaligen Konstruktion, die in einem schalltechnischen Laboratorium aufgebaut wurde, konnten die verschiedenen Variablen, welche die Performance eines solchen Systems hinsichtlich Schallübertragung beeinflussen, untersucht werden. Zu diesen Parametern zählen beispielsweise die Größe der Öffnungen in beiden Fassadenebenen, deren Position beziehungsweise Versatz zueinander und die absorbierende Wirkung der Materialien im Zwischenraum. Um Werkzeuge für die zukünftige Verwendung solcher Konstruktionen zu entwickeln, wurden auf empirischem Wege Gleichungen aufgestellt, mit welchen die Performance von doppelschaligen Fassaden mit natürlicher Lüftungsmöglichkeit vorhergesagt werden kann. Im Zuge dieses Beitrages werden die Ergebnisse von Messungen und rechnerischen Annäherungen präsentiert und diskutiert.
D4. Simulation des hygrothermischen Verhaltens begrünter Dachkonstruktionen
Dachbegrünungen werden mit zahlreichen Vorteilen wie besseres Raumklima, Energieersparnis, Reduktion der innerstädtischen Wärmeinseleffekte oder Niederschlagsrückhaltung in Verbindung gebracht. Im Holzbau haben sie aber auch durch viele Schäden an der feuchteempfindlichen Unterkonstruktionen von sich reden gemacht. Vor- und Nachteile waren bisher nur schwer zu quantifizieren, da kaum Modelle zur Beurteilung des hygrothermischen Verhaltens von begrünten Konstruktionen zur Verfügung standen bzw. die verfügbaren Ansätze sich meist nur auf spezielle Teilbereiche beschränkten. Im Rahmen eines Forschungsprojekts konnte am Fraunhofer-IBP ein Berechnungsmodell für Dachbegrünungen erstellt werden, das eine Ergänzung für das bewährte hygrothermische Simulationsverfahren WUFI® darstellt. Es ermöglicht unter Berücksichtigung der Feuchtebilanz eine realitätsnahe instationäre Simulation der Begrünung mit Aussagen zum hygrothermischen Verhalten der Unterkonstruktion und zur energetischen Wirkung auf den darunter liegenden Innenraum.
D5. Bemessung des Wärmeschutzes der Gebäudehülle auf der Grundlage von Raumklimamessungen
Für eine Vielzahl bauphysikalischer Nachweise und Berechnungen ist die Kenntnis zeitabhängiger Randbedingungen unerlässlich. Dies gilt besonders für die Einschätzung des Schimmelpilzrisikos von Oberflächen oder für die Bewertung eines bestehenden Schimmelpilzbefalls. Diese erfolgt nämlich am genauesten durch die Kombination von nutzerabhängigen Raumklimadaten und von Schimmelpilzvorhersagemodellen. Als Grundlage dafür müssen aber zunächst die typischen Raumklimadaten bekannt sein. Um diese Lücke zu füllen, wird durch den vorliegenden Beitrag ein repräsentatives Raumklimamodell für typische Wohnzimmer in Mehrfamilienhäusern vorgestellt. Dieses wird als Bewertungsgrundlage des Wärmeschutzes von Wärmebrücken angewendet. Im Vorfeld dazu wird ein Überblick über die Wachstumsbedingungen der Schimmelpilzbildung, Vorhersagemodelle zur Schimmelpilzbildung sowie die normativen Mindestanforderungen an den Wärmeschutz der Gebäudehülle gegeben.
D6. Mikrobieller Bewuchs an Fassaden
Durch die Steigerung der Wärmedämmqualität von Außenwandkonstruktionen kommt es vielerorts zu mikrobiellem Bewuchs an Fassaden. Insbesondere an mit Wärmedämmverbundsystemen (WDVS) ertüchtigten Außenwänden werden häufig nach einiger Zeit optisch störende Aufwuchserscheinungen gerügt. Im Rahmen einer in Hannover durchgeführten und in diesem Bericht vorgestellten Studie konnte festgestellt werden, dass etwa 25 % der Gebäude im Stadtgebiet in mehr oder weniger stark ausgeprägter Form mikrobiellen Bewuchs aufweisen. 75 % der bewachsenen Gebäude waren mit WDVS gedämmt.
Der vorliegende Beitrag stellt neben der Grundproblematik der Algen- und Pilzbildung an gedämmten Außenwandkonstruktionen die Vorgehensweise bei der kontinuierlichen Messdatenermittlung realer Objekte und des Feilandversuchs dar. Darüber hinaus wird eine Analysekonzept zur Ermittlung von Bewuchsschwellen für die Einschätzung des Aufwuchsrisikos einer Wandoberfläche vorgestellt. Dabei wird eine Wand über die mittlere Taupunktdifferenz (Spread), das heißt über ihr Vermögen, einen gewissen Abstand von der Taupunkttemperatur zu halten, charakterisiert.
E1. Materialtechnische Tabellen für den Brandschutz
Zur Beurteilung des Brandverhaltens von Baustoffen und Bauteilen werden Materialdaten der verschiedensten Art verwendet. Auch für Ingenieurmethoden im Brandschutz sind eine Reihe an Materialdaten erforderlich. Im vorliegenden Beitrag werden vor allem Materialkennwerte behandelt, welche für die praktische Anwendung von Rechenverfahren besonders wichtig sind.
E2. Materialtechnische Tabellen
Für die Planung eines Neubaus oder die Sanierung eines Gebäudes ist die Kenntnis über bauphysikalische Merkmale und Kenngrößen der verschiedensten Materialen unabdingbar. Im Beitrag werden wärme- und feuchtetechnische sowie schallschutztechnische und raumakustische Kennwerte von Baustoffen und Materialien tabellarisch als Zahlenwerte oder grafisch in Diagrammform angegeben. Neben den wesentlichen Tabellen aus den derzeit gültigen DIN-Normen wurden aus der Literatur ergänzende Stoffwerte zusammengestellt.
