Größe und Geometrie beachten!Wärmeschutz bei Fenstern

Sachverhalt

Beim Neubau eines Wohngebäudes bemängelte der Bauherr, die Fenster entsprächen in wärmeschutztechnischer Hinsicht nicht den Vorgaben der Baubeschreibung. Die ausführende Firma bestritt die Mangelbehauptung. Daher sollte im Rahmen einer Begutachtung eine Bewertung der Fenster hinsichtlich des Wärmeschutzes erfolgen.

Nachfolgend wird auf Grundlage dieses Falles exemplarisch erläutert, was bei der wärmeschutztechnischen Bewertung von Fenstern im Wesentlichen zu beachten ist. Darüber hinaus wird auch kurz auf weitere Aspekte eingegangen.

Feststellungen

Das Wohngebäude war bereits fertiggestellt und bezogen. Zu den Fenstern lagen Unter­lagen vor, aus denen die relevanten wärmeschutztechnischen Kennwerte sowie die geometrischen Abmessungen entnommen werden konnten. Entsprechend der Baubeschreibung sollten die Fenster einen Wärmedurchgangskoeffizienten von maximal U_W = 1,3 W/(m²K) aufweisen. Bei dem Wohngebäude waren sowohl Fenster mit feststehenden Verglasungen wie auch Drehkippfenster vorhanden. Die Fensteröffnungen sowie die Rahmen und Isolierverglasungen wiesen verschiedene Abmessungen auf.

Bewertung

Der winterliche Wärmeschutz eines eingebauten Fensters wird im Wesentlichen durch vier Parameter bestimmt:

– Aufbau der Isolierverglasung,

– Ausbildung des Randverbunds der Isolier-   verglasung,

– Material und Konstruktion des Rahmens,

– Baukörperanschluss des Fensters.

Der Baukörperanschluss wurde in dem geschilderten Fall nicht bemängelt und wird hier nicht weiter betrachtet. Informationen zur Ausführung des Baukörperanschlusses finden sich z. B. im „Leitfaden zur Planung und Ausführung der Montage von Fenstern und Haustüren“ („RAL-Leitfaden“) [1] oder der Richtlinie „Anschlüsse an Fenster und Rollläden bei Putz, Wärmedämm-Verbund-system und Trockenbau“ [2]. Bereits ohne Berücksichtigung des Baukörperanschlusses stellt das Fenster allein ein inhomogenes Bauteil mit variablen Flächenanteilen von Verglasung und Rahmen dar. Die Flächenanteile können je nach Fenstertyp und Öffnungsart deutlich variieren (Bild 1). Bei der Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten sind insbesondere die Verglasung, der Randverbund und der Rahmen mit den jeweils zugehörigen Flächen- bzw. Längenanteilen zu berücksichtigen.

Bei den Verglasungen haben die Dreifach-Isolierverglasungen die Zweifach-Isolierverglasungen weitgehend abgelöst. Seitens der Hersteller wird üblicherweise der Wärmedurchgangskoeffizient der Verglasung U_g angegeben. Hierfür sind der Scheibenzwischenraum und insbesondere die Wärmeschutzbeschichtung („Coating“ oder „low-E-Beschichtung“) maßgebend. Die Glasdicke, die in statischer oder schallschutztechnischer Hinsicht relevant ist, spielt hinsichtlich des Wärmeschutzes praktisch keine Rolle, da Glas ein guter Wärmeleiter ist. Der Energietransport infolge Wärmeleitung wird vielmehr durch das im Scheibenzwischenraum vorhandene Gas vermindert; üblich sind die Verwendung von Argon und seltener Krypton. Die Breite des Scheibenzwischenraums wird vielfach auf 16 mm begrenzt. Eine größere Breite bringt kaum Nutzen, da dann Konvektion im Scheibenzwischenraum relevant wird (dies ist auch der wesentliche Grund für den Schritt von der Zweifach-Verglasung zur Dreifach-Verglasung, bei der zur Minimierung der Konvektion zwei getrennte Scheibenzwischenräume hintereinander angeordnet sind). Die Wärmeschutzbeschichtung weist einen gegenüber der Glasoberfläche deutlich geringeren Emissionsgrad auf. Hierdurch wird der – maßgebliche – Energietransport infolge Wärmestrahlung signifikant vermindert. Je nach Beschichtung kann deren Position mittels eines Feuerzeugs anhand der andersfarbig reflektierten Flamme erkannt werden (Bild 2). Bei entsprechenden Zweifach-Isolierverglasungen beträgt der Wärmedurchgangskoeffizient ca. U_g = 1,1 W/(m²K). Mit Dreifach-Isolierverglasungen werden Werte zwischen etwa U_g = 0,5 W/(m²K) und U_g = 0,7 W/(m²K) erreicht. Zu beachten ist, dass aufgrund der Konvektion im Scheibenzwischenraum auch die Neigung der Verglasung relevant ist; bei horizontaler Einbaulage (z. B. Überkopfverglasung) weisen insbesondere die Zweifach-Isolierverglasungen schlechtere Wärmedurchgangskoeffizienten auf (Bild 3).

Der U_g-Wert berücksichtigt nur den Aufbau der Verglasung im Flächenbereich; er geht quasi von einer unendlich großen Verglasung aus. Der Randverbund, bei dem die einzelnen Scheiben der Isolierverglasung miteinander verbunden sind, stellt aber eine erhebliche wärmetechnische Schwachstelle dar. Diese linienförmige Wärmebrücke muss daher bei der Ermittlung des Wärmedurchgangskoeffizienten des Fensters mit berücksichtigt werden. Dabei spielt dann auch die Geometrie der Verglasung bzw. das Verhältnis von deren Fläche zum Umfang eine Rolle. Die rechnerische Erfassung des Randverbunds erfolgt über den längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten ψ_g [W/(m K)]. Der sich dadurch ergebende – individuelle, weil geometrieabhängige – Wärmedurchgangskoeffizient der Verglasung inkl. des Randverbunds liegt insbesondere bei einem kleinen Verhältnis der Fläche zum Umfang der Verglasung deutlich oberhalb des Wertes U_g der reinen Verglasung ohne Randverbund (Bild 4). Beim Randverbund werden Abstandhalter aus Aluminium, Edelstahl oder Kunststoff eingesetzt; die längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten liegen meist zwischen ψ_g = 0,08 W/(m K) und ψ_g = 0,05 W/(m K). Die wärmeschutztechnisch besseren Abstandhalter werden als „Warme-Kante“-Systeme bezeichnet [5].

Die Rahmen sind meist aus Kunststoff, Holz oder Aluminium gefertigt. Darüber hinaus gibt es verschiedenste Verbundrahmen (z. B. Holz-Aluminium, Holz-Kunststoff). Die Kunststoffrahmen – in der Regel aus Polyvinylchlorid (PVC) hergestellt – benötigen aus statischen Gründen meist integrierte Stahlprofile. Der Wärmeschutz wird durch Mehrkammerprofile erreicht bzw. verbessert. Aktuelle Profile sind meist als Fünfkammersystem ausgebildet. Höherwertige Profile weisen auch sechs oder sieben Kammern auf; die weitere Verbesserung des Wärmeschutzes durch zusätzliche Kammern ist jedoch vergleichsweise gering. Der Werkstoff Holz zeichnet sich durch eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit bei vergleichsweise guter Tragfähigkeit aus. Hierdurch ist Holz nach wie vor als Rahmenmaterial gut geeignet. Zur Verbesserung des Witterungsschutzes werden z. B. Aluminium-Vorsatzschalen verwendet. Im Verbund z. B. mit Kunststoffen können aus Holz auch hochwärmedämmende Rahmenprofile hergestellt werden. Aluminium zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit und einen hervorragenden Witterungsschutz aus; jedoch ist Aluminium auch ein hervorragender Wärmeleiter. Daher bedürfen Rahmenprofile aus Aluminium einer thermischen Entkoppelung. Den meisten Rahmenprofilen und -materialien ist gemeinsam, dass sie wärmeschutztechnisch schlechter sind als die Isolierverglasungen. Die Wärmedurchgangskoeffizienten gängiger Kunststoff-Fensterrahmen liegen aktuell vielfach zwischen U_f = 1,0 W/(m²K) und U_f = 1,2 W/(m²K). Es gibt jedoch auch hochwärmedämmende Rahmen mit deutlich geringeren Wärmedurchgangskoeffizienten.

Die Ermittlung des Wärmedurchgangskoeffizienten U_w  für das gesamte Fenster erfolgt unter Berücksichtigung der flächen- bzw. längenbezogenen Einzelwerte U_g der Verglasung, ψ_g des Randverbunds und U_f des Rahmens [6]. Der resultierende Wert liegt für aktuelle Fenster normalen Standards meist deutlich oberhalb des Wärmedurchgangskoeffizienten U_g der reinen Verglasung (Bild 5). Er ist darüber hinaus in hohem Maße abhängig von der Größe und der Geometrie des Fensters und den sich daraus ergebenden unterschiedlichen Flächenanteilen für Verglasung und Rahmen. Dies kann für zwei Fens-ter mit gleicher Verglasung und gleichem Rahmen zu stark abweichenden Wärmedurchgangskoeffizienten U_w allein aufgrund der Größe und der Geometrie der Fenster führen (Bild 6). Seitens der Hersteller werden manchmal Wärmedurchgangskoeffizienten U_w für das gesamte Fenster angegeben. Diese beziehen sich dann in der Regel auf ein Referenzmaß des Fensters von 1,23 m 
x 1,48 m [7]. Dabei ist zu beachten, dass die gleiche Fensterkonstruktion in kleinerer Ausführung einen schlechteren Wärmedurchgangskoeffizienten aufweisen wird.

Zur Beurteilung des eingangs geschilderten Falls war es erforderlich, die Wärmedurchgangskoeffizienten der einzelnen Fenster abhängig von deren Größe und Geometrie zu berechnen. Dabei ergab sich, dass einige kleine Fenster mit vergleichsweise hohem Rahmenanteil und vergleichsweise großem Umfang der Verglasung im Verhältnis zu deren Fläche (Randverbund!) den in der Baubeschreibung zugesicherten maximalen Wärmedurchgangskoeffizienten überschritten. Diese Fenster entsprachen somit in wärmeschutztechnischer Hinsicht nicht dem geschuldeten Soll und es war eine Nachbesserung erforderlich.

Vor der Erläuterung möglicher Instandsetzungsmaßnahmen wird noch kurz auf weitere Aspekte eingegangen: Fenster werden manchmal mit Sprossen als gestalterischem Element versehen. Die Sprossen können entweder in die Isolierverglasung integriert sein; dann erfolgt deren Berücksichtigung durch zusätzliche längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizienten. Die betreffenden Werte wurden bei der Neufassung der DIN EN ISO 10077-1 [6] aus [5] in die Norm übernommen. Glasteilende Fenstersprossen (Bild 7) sind wärmetechnisch ungünstiger; sie können z. B. anhand eines pauschalen Zuschlags zum Wärmedurchgangskoeffizienten berücksichtigt werden [5], [7].

Beim Randverbund als wärmetechnische Schwachstelle des Fensters ist eine zeitweise Tauwasserbildung nicht sicher vermeidbar. Dies stellt keinen technischen Mangel hinsichtlich der Fensterkonstruktion dar, sofern Vorkehrungen zur Vermeidung eines Kontaktes des Tauwassers mit angrenzenden empfindlichen Materialien (z. B. Parkett) getroffen werden [8]. Hierzu ist insbesondere bei bodentiefen Fenstern z. B. die Ausführung einer kleinen Rinne zweckmäßig, aus der anfallendes Tauwasser dann schadlos verdunsten kann (Bild 8).

Die Fenster sind in wärmeschutztechni-scher Hinsicht etwa um den Faktor 5 schlechter als eine aktuelle Außenwandkonstruktion. Dennoch ist die Planung und Ausführung großer Fensterflächen zweckmäßig, sofern diese nach Südwesten bis Südosten orientiert sind. Beim überschlägigen Vergleich des Transmissionswärmeverlustes mit der solaren Einstrahlung auf ein nach Süden gerichtetes Fenster während der Heizperiode [9] ergibt sich bereits ab einem Wärmedurchgangskoeffizienten U_w ≤ 1,6 W/(m²K) ein Energiegewinn über das Fenster. Dieser während der Heizperiode erwünschte Gewinn darf im Sommer natürlich nicht zu einer Überhitzung des betreffenden Raums führen, weswegen dann in der Regel Maßnahmen des sommerlichen Wärmeschutzes erforderlich sind.

Instandsetzung

Bei einem Fenster mit der Referenzgröße 1,23 m x 1,48 m kann eine Verbesserung des Wärmedurchgangskoeffizienten U_w um 0,1 W/(m²K) wie folgt erreicht werden [10]:

– Verbesserung der Verglasung um ΔU_g = 0,2 W/(m²K)

– Verbesserung des Rahmens um ΔU_f = 0,3 W/(m²K)

– Verbesserung des Abstandhalterprofils um Δψ_g = 0,04 W/(m K)

Zur Nachbesserung bereits montierter Fenster ist insoweit eine Mangelbeseitigung durch Austausch der Verglasung möglich, wenn die Abweichung des vorhandenen Wärmedurchgangskoeffizienten U_w vom geforderten Wert nicht zu groß ist.

Literatur

[1] RAL-Gütegemeinschaft Fenster und Haustüren: „Leitfaden zur Planung und Ausführung der Montage von Fenstern und Haustüren für Neubau und Renovierung“, Ausgabe 03/2014
[2] Fachverband der Stuckateure für Ausbau und Fassade, Fachverband Glas Fenster Fassade, Bundesverband Rollladen und Sonnenschutz: Richtlinie „Anschlüsse an Fenster und Rollläden bei Putz, Wärmedämm-Verbundsystem und Tro-

ckenbau“, 2. überarbeitete Auflage, 2010
[3] Verband Fenster + Fassade – VFF: VFF Information „U-Werte von Glasdächern“, Stand 2014
[4] Wagner, A. u.a.: „Energieeffiziente Fenster und Verglasungen“, 4., vollständig überarbeitete Auf-

lage, Fraunhofer IRB Verlag, 2013
[5] Bundesverband Flachglas: „Kompass ‚Warme Kante‘ für Fenster und Fassaden“, BF-Merkblatt 004/2008, Änderungsindex 4, März 2017
[6] DIN EN ISO 10077-1:2018-01: „Wärmetechnisches Verhalten von Fenstern, Türen und Abschlüssen – Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten – Allgemeines“
[7] DIN EN 14351-1:2016-12: „Fenster und Türen – Produktnorm, Leistungseigenschaften – Fenster und Außentüren“
[8] DIN 4108-2:2013-02: „Wärmeschutz und Energie- einsparung in Gebäuden – Mindestanforderungen an den Wärmeschutz“
[9] DIN V 4108-6:2003-06: „Wärmeschutz und Energie-

einsparung in Gebäuden – Berechnung des Jah-

resheizwärme- und des Jahresheizenergiebedarfs“
[10] Hessinger, J., Specht, K.: „Was bringt das Zehntel beim U-Wert? Energetische Einflüsse am Bauteil Fenster“, ift Rosenheim, 2011