Bauphysik-Kalender 2015: Simulations- und Berechnungsverfahren

664 Pages·2015·81.794 MB·German

by  Nabil A. Fouad

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Die Recherche zum Bauphysik-Kalender ab
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Umschlaggestaltung: Sonja Frank, Berlin
Herstellung: HillerMedien, Berlin
Satz: Dörr + Schiller GmbH, Stuttgart
Druck: Medialis, Berlin
Bindung: Stein + Lehmann, Berlin
Printed in the Federal Republic of Germany.
Gedruckt auf säurefreiem Papier.
ISSN 01617-2205
Print ISBN 978-3- 433-03105-6
obook 978-3- 433-60515-8
ePDF 978-3- 433-60511-0
ePub 978-3- 433-60516-5
eMobi 978-3- 433-60514-1
III
Vorwort
Der Bauphysik-Kalender feiert dieses Jahr seine 15. Aus- sammenwirken von Bauteilen, Nutzern und Anlagen-
gabe. Seit seinem ersten Erscheinen im Jahre 2001 stellt technik insbesondere in Bezug auf die Feuchteverhält-
der Bauphysik-Kalender ein aktuelles, verlässliches und nisse abgebildet werden kann. Mit den vorgestellten
praxisgerechtes Nachschlagewerk auf allen Teilgebieten Rechenverfahren können zuverlässige Aussagen zum
der Bauphysik dar. Der Begründer des Bauphysik- Energiebedarf einzelner Bereiche und ganzer Gebäude
Kalenders Herr Univ.-Prof. em. Dr. Erich Cziesielski zum Erreichen hygienischer und komfortabler Raum-
hatte bereits damals erkannt, dass die bauphysikali- klimabedingungen getroffen werden. Zusätzlich lässt
schen Überlegungen auf den Teilgebieten Wärme-, sich die Schadensfreiheit der Gebäudehülle beurteilen.
Feuchte-, Schall-, Brandschutz oder Licht im Baupla- Weitere vier Beiträge stellen die Möglichkeiten der nu-
nungsprozess immer mehr an Bedeutung gewinnen und merischen Simulationen auf dem Gebiet des vorbeu-
dass es an der Zeit war, neben dem Beton-, Mauerwerk- genden Brand- und Gefahrenschutzes dar. Zwei Bei-
und Stahlbau-Kalender auch einen Bauphysik-Kalen- träge befassen sich mit den Grundlagen der Brandsimu-
der herauszugeben. Die folgenden Ziele wurden dabei lation, hauptsächlich CFD basierte Verfahren und
an den Bauphysik-Kalender gestellt, die sich auch in deren Absicherung. Die Anwendung von Brandsimula-
seiner Gliederung widerspiegeln: tionsmodellen für die Berechnung der thermischen Ein-
– Beschaffung eines Überblickes über die neuesten wirkungen im Brandfall und der Rauchableitung wird
Regelwerke und Normen auf dem Gebiet der Bau- in einem anschließenden Beitrag dargestellt.
physik, Ein weiterer Beitrag stellt das Thema der Personen-
– Materialtechnische Grundlagen sowie materialtech- stromsimulationen und Evakuierungsberechnungen vor.
nische Tabellen werden zur Verfügung gestellt, Die beiden letzten Beiträge der Rubrik C widmen sich
– Bauphysikalische Simulations- und Berechnungsver- der dynamischen Gebäudesimulation zur Bewertung
fahren werden vorgestellt und erläutert, des Raumklimas in Gebäuden. Anhand einiger Projekt-
– Die konstruktive Ausbildung ausgewählter Bauteile beispiele werden die Möglichkeiten und Anwendungs-
und Bauwerke unter Beachtung bauphysikalischer gebiete der vorgestellten Simulationsprogramme aufge-
Kriterien werden dargestellt. zeigt.
Der diesjährige Bauphysik-Kalender befasst sich mit In der Rubrik D Konstruktive Ausbildung von Bauteilen
den Simulations- und Berechnungsverfahren in der und Bauwerken des Bauphysik-Kalenders werden im
Bauphysik. Numerische Simulationsverfahren sind ersten Beitrag aktuelle Ansätze zur Schallenergievertei-
heute aus der konstruktiven und technischen Gebäude- lung in Bauteilen vorgestellt. Numerische Simulationen
planung nicht mehr wegzudenken und werden auf allen von physikalischen Phänomenen im Bereich der Bau-
Teilgebieten der Bauphysik eingesetzt. Ihre Anwendung akustik werden aufgezeigt. Ein weiterer Beitrag stellt die
erfordert Hintergrundwissen zu den verwendeten Be- Simulationsmöglichkeit zur Abbildung des thermischen
rechnungsverfahren und den skalenübergreifenden Verhaltens von Oberflächen am Beispiel einer beheizba-
Kontext. ren Freifläche vor. Der letzte Beitrag widmet sich einer
Der vorliegende Bauphysik-Kalender verfügt insgesamt Wissenstransfer-Plattform für Forschungstools und
über 16 Beiträge, die das o. g. Thema umfassend abde- Eingabedaten für die Planung, Auslegung und Betrieb
cken und die neusten Erkenntnisse auf diesem Gebiet von energieoptimierten Siedlungen und Quartieren.
vorstellen. Die letzte Rubrik E Materialtechnische Tabellen bein-
In der Rubrik A Allgemeines und Regelwerke wird in haltet neben den jährlich aktualisierten bauphysikali-
einem Beitrag die neue Energieeinsparverordnung 2014 schen Materialkennwerten einen Beitrag mit material-
sowie ihre Umsetzung dargestellt und kommentiert. technischen Tabellen für den Brandschutz. Hier werden
Die Rubrik B Materialtechnische Grundlagen beinhaltet Kennwerte angegeben, die vor allem für die zunehmend
den im Bauphysik-Kalender regelmäßig erscheinenden im Brandschutz eingesetzten Brandsimulationen sowie
und aktualisierten Beitrag zu Wärmedämmstoffen im Ingenieurmethoden relevant sind.
Bauwesen. Mit seinen vielfältigen Beiträgen stellt der Bauphy-
Zu den im Bauphysik-Kalender 2015 ausgewählten sik-Kalender 2015 eine solide Arbeitsgrundlage sowie
bauphysikalischen Simulations- und Berechnungsverfah- ein aktuelles Nachschlagewerk nicht nur für die Praxis
ren werden in der Rubrik C zu Beginn die Nachweisver- sondern auch für Lehre und Forschung dar. Für kriti-
fahren der neuen EnEV 2014 vorgestellt und anhand sche Anmerkungen sind die Autoren, der Herausgeber
von Berechnungsbeispielen erläutert. und der Verlag dankbar.
In diesem Abschnitt widmen sich zwei Beiträge den hy- Der Herausgeber möchte an dieser Stelle allen Autoren
grothermischen Simulationsverfahren. Im ersten der für ihre Mitarbeit und dem Verlag für die angenehme
beiden Beiträge werden diese Simulationen zur Feuch- Zusammenarbeit herzlichst danken.
teschutzbeurteilung von Baukonstruktionen / Bauteilen
abgehandelt. Im zweiten Beitrag wird die hygrothermi- Hannover, im Februar 2015
sche Gebäudesimulation dargestellt, mit der das Zu- Nabil A. Fouad
V
Inhaltsübersicht
A Allgemeines und Regelwerke
A 1 Die neue Energieeinsparverordnung – EnEV 2014 3
Alexander Renner
B Materialtechnische Grundlagen
B 1 Dämmstoffe im Bauwesen 35
Wolfgang M. Willems, Kai Schild
C Bauphysikalische Planungs- und Nachweisverfahren
C 1 Nachweisverfahren der Energieeinsparverordnung 113
Anton Maas, Stephan Schlitzberger
C 2 Feuchteschutzbeurteilung durch hygrothermische Bauteilsimulation 161
Klaus P. Sedlbauer, Hartwig M. Künzel
C 3 Anwendung hygrothermischer Gebäudesimulation 189
Florian Antretter, Matthias Pazold, Hartwig M. Künzel, Klaus P. Sedlbauer
C 4 Grundlagen der Brandsimulation –
Einführung in die übergeordneten Zusammenhänge 227
Matthias Münch, Hendrik Belaschk, Rupert Klein
C 5 Absicherung von CFD-Simulationen im Brandschutz 249
Matthias Münch
C 6 Anwendung von Brandsimulationsmodellen für die Berechnung der thermischen
Einwirkungen im Brandfall und der Rauchableitung 269
Jochen Zehfuß, Olaf Riese
C 7 Personenstromsimulationen und Evakuierungsberechnungen 311
Volker Schneider, Burkhard Forell
C 8 Das dynamische Gebäude- und Anlagensimulationsprogramm TRNSYS 343
Marion Hiller, Monika Schulz
C 9 Simulationsbasierte Bewertung sommerlicher Bedingungen in Gebäuden 377
Christoph Morbitzer, Peter von der Weide, Alexander Schröter
D Konstruktive Ausbildung
D 1 Aktuelle Ansätze zur Schallenergiev erteilung in Bauteilen 417
Peter Kautsch, Blasius Buchegger, Heinz J. Ferk
D 2 Simulation zur Abbildung des thermischen Verhaltens von Oberflächen am Beispiel
einer beheizten Freifläche zur Schnee- und Eisfreihaltung 451
Torsten Richter
D 3 Neue Anforderungen an Planungswerkzeuge für Energie⊕-Siedlungen
und -Quartiere 521
John Grunewald, Volker Stockinger, Dirk Weiß, Lutz Blaich, Andreas Nicolai,
Christoph van Treeck
VI Inhaltsübersicht
E Materialtechnische Tabellen
E 1 Materialtechnische Tabellen für den Brandschutz 545
Nina Schjerve, Ulrich Schneider
E 2 Materialtechnische Tabellen 583
Rainer Hohmann
Stichwortverzeichnis 661
Hinweis des Verlages
Die Recherche zum Bauphysik-Kalender ab Jahrgang 2001 steht
im Internet zur Verfügung unter www.ernst-und-sohn.de
A
Allgemeines und Regelwerke
3
A 1 Die neue Energieeinsparverordnung – EnEV 2014
Alexander Renner
Dr.-Ing. Alexander Renner
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Scharnhorststraße 34–37, 10115 Berlin
Bauingenieur; Studium und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Massivbau
der Technischen Universität Darmstadt. 2007 Promotion zum Thema „Energie- und
Ökoeffizienz von Wohngebäuden“. Zunächst Referent im Bundesamt für Bauwesen
und Raumordnung, Bonn und anschließend bis 2014 im Bundesministerium für Ver-
kehr, Bau und Stadtentwicklung, Berlin. Seit 2014 im Bundesministerium für Wirt-
schaft und Energie, Berlin im Bereich energiepolitischer Grundsatzfragen der Ener-
giewende im Gebäudebereich tätig.
Bauphysik-Kalender 2015: Simulationen und Rechenverfahren in der Bauphysik.
Herausgegeben von Nabil A. Fouad
© 2015 Ernst & Sohn GmbH & Co. KG. Published 2015 by Ernst & Sohn GmbH & Co. KG.
4 A 1 Die neue Energieeinsparverordnung – EnEV 2014
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 5 3.5.1.4 Raumlufttechnik und andere anlagentechnische
Komponenten von Referenz‑
2 Politische Vorgaben 8 Nichtwohngebäuden 21
2.1 Die Energiewende und das Energiekonzept für 3.5.1.5 Weitere Randbedingungen 22
Deutschland 8 3.5.1.6 Vereinfachte Bilanzierungsregeln für den öffentlich‑
2.1.1 Ordnungsrechtliche Pflichten der EnEV und des rechtlichen Nachweis von Nichtwohngebäuden 22
EEWärmeG 9 3.5.2 Nettogrundfläche als Bezugsgröße 22
2.2 Finanzielle Anreizinstrumente – 3.5.3 Nutzungsprofile für Nichtwohngebäude 22
CO‑Gebäudesanierungsprogramm 9 3.5.4 Anforderung an die Effizienz der Gebäudehülle 24
2
2.3 EU Gebäuderichtlinie und 3.6 Vereinfachtes Verfahren für Nichtwohngebäude
Energieeffizienzrichtlinie 9 (Ein‑Zonenmodell) 24
3.7 Bestandsgebäude 25
3 Novellierung der Energieeinsparverordnung 9 3.7.1 Anforderungen an Bauteile 25
3.1 Von der EnEV 2009 zur EnEV 2014 9 3.7.1.1 Außenwände 26
3.2 Geltungsbereich der EnEV 2014 10 3.7.1.2 Außentüren 26
3.3 Grundlagen des EnEV‑Nachweises 11 3.7.1.3 Fenster, Fenstertüren, Dachflächenfenster und
3.3.1 Anforderungswert 11 Glasdächer sowie Sonderverglasung 26
3.3.2 Primärenergiefaktoren 11 3.7.1.4 Opake Dachflächen und Decken/Wände gegen
3.3.3 Anrechnung von Strom aus erneuerbaren Dachräume 27
Energien 12 3.7.2 Erweiterung und Ausbau eines
3.4 Nachweis von Wohngebäuden 12 Bestandsgebäudes 27
3.4.1 Jahres‑Primärenergiebedarf 12 3.7.3 Nachrüstungspflichten 27
3.4.1.1 Baulicher Wärmeschutz 12
3.4.1.2 Luftdichtheit der Gebäudehülle 14 4 Energieausweise 28
3.4.1.3 Sonnenschutz 14 4.1 Grundlagen 28
3.4.1.4 Anlagentechnik 14 4.2 Angaben im Energieausweis 28
3.4.1.5 Kühlung 15 4.3 Modernisierungsempfehlungen 29
3.4.1.6 Lüftung 15 4.4 Energieausweis‑Aussteller 30
3.4.1.7 Weitere Randbedingungen 15
3.4.2 Gebäudenutzfläche als Bezugsgröße 15 5 Vollzug der EnEV 31
3.4.3 Nutzungsprofil für Wohngebäude 16 5.1 Einleitung 31
3.4.4 Anforderung an die Effizienz der Gebäudehülle 16 5.2 Verantwortliche und Nachweise 31
3.5 Nachweis von Nichtwohngebäuden 17 5.3 Unternehmererklärung 31
3.5.1 Jahres‑Primärenergiebedarf 17 5.4 Bezirksschornsteinfeger 31
3.5.1.1 Baulicher Wärmeschutz von Referenz‑ 5.5 Ordnungswidrigkeit 32
Nichtwohngebäuden 17
3.5.1.2 Luftdichtheit und Beleuchtung von Referenz‑ Literaturverzeichnis 32
Nichtwohngebäuden 17
3.5.1.3 Beheizung und Warmwasserversorgung von
Referenz‑Nichtwohngebäuden 19
Einleitung 5
1 Einleitung tüchtigung zu nutzen, wenn sowieso Instandhaltungen
anstehen. Dadurch ist aber eine Steigerung der energe-
Mit dem Energiekonzept vom 28. September 2010 und tischen Modernisierungsrate nicht in beliebigem Um-
den Beschlüssen zur Energiewende am 6. Juni 2011 fang möglich.
wurden in Deutschland weitreichende Beschlüsse für Auch das Institut für Wohnen und Umwelt (IWU) hat
die Umstellung der Energieversorgung auf erneuerbare in seiner Studie über die Datenbasis des Wohngebäude-
Energien gefasst. Die Erhöhung der Energieeffizienz ist bestands in Deutschland ermittelt, dass die derzeitige
dabei eine Schlüsselaufgabe, ohne die eine klimage- Sanierungsquote im Bereich der Gebäudehülle bei rund
rechte, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung 1 % liegt. Das entspricht etwa 400.000 Wohneinheiten
nicht gelingen wird. Der Gebäudebereich wird bei der pro Jahr. Das bedeutet, dass mit den Zahlen der dena
Umsetzung deutliches Gewicht erhalten müssen. die Sanierungsaktivitäten mehr als verdoppelt werden
Energieeffizienz im Gebäudebereich ist gekoppelt an müssen. Das deckt sich mit der Aussage des Energie-
eine sinnvolle Kombination aus einer deutlichen Redu- konzepts zur Sanierungsrate (Verdopplung von 1 % auf
zierung des Energieverbrauchs und gleichzeitig einer 2 %). Bei den Heizungssystemen liegt die Erneuerungs-
erheblichen Steigerung des Anteils erneuerbarer Ener- rate höher, bei rund 3 %. [14]
gien für die Wärme-, Kälte- und Stromversorgung. Mit In den letzten Jahren gab es bereits spürbare Verände-
dieser grundlegenden Vorgabe wird bis 2050 der ge- rungen in der Bereitstellung von Energie für die Behei-
samte Gebäudebestand in Deutschland auf Energie- zung und die Warmwasserbereitung in Haushalten.
effizienz umgestellt werden. Die Sanierungsstudie der Allen fossilen Energieträgern gemein ist, dass sie seit
Deutschen Energie-Agentur (dena) geht davon aus, 1996 einen deutlichen Rückgang verzeichnen: Bei Erd-
dass in den kommenden 20 Jahren etwa die Hälfte der gas rund 20 %, bei Öl, Kohle und Strom jeweils bis zu
Gebäude zur Sanierung anstehen wird. Dies entspricht einer Halbierung des Verbrauchs. Der Fernwärmeab-
etwa einer Million Sanierungen pro Jahr. Da insbeson- satz ist über die Jahre nahezu konstant geblieben. Die
dere die Verbesserung des Wärmeschutzes häufig am größten positiven Veränderungen gab es beim Einsatz
(kosten-) effizientesten im Zusammenhang mit weiteren erneuerbarer Energien: Von 1996 mit nahezu Null, er-
Maßnahmen am Gebäude ist und die Sanierungszyklen höhte sich der Einsatz 2012 bereits auf 304 PJ (Bild 1).
bei der Gebäudehülle bis zu 40 Jahre betragen, gilt es, Trotz dieser ersten Veränderungen ist die Verbreitung
die jeweils „einmalige“ Chance zur energetischen Er- von Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Wärme im
Verteilung der Energieträger für Beheizung und Warmwasser in Haushalten
1.200
1.152
1996
1.000 950 965 2008
903
2012
800
647
PJ 600
502
400
304
176 229
173
200 179 164
122
100 103
41 51
0
0
- davon Öl - davon Gas - davon Strom - davon Fernwärme- da von Kohle - davon Erneuerbare
Bild 1. Verteilung der Energieträger für Beheizung und Warmwasser in den Jahren 1996, 2008 und 2012 ([1], eigene Darstellung)
6 A 1 Die neue Energieeinsparverordnung – EnEV 2014
Verteilung des Bestands an Wohngebäuden
Mio. Gebäude 99% 100%
94%
8 100%
7,02 84%
7
80%
6
64%
5
60%
4 3,64
40%
3 2,46
2,24
26% 1,78
2
20%
0,89
1 14%
0,18
- 0%
... bis 1919 1919-1948 1949-1978 1979-1995 1996-2002 2003-2009 2010 bis 2011
(1.-2. WSVo) (3.WSVo) (EnEV 02/07) (EnEV 09)
Wohngebäude Summenhäufigkeit
Bild 2. Gebaute Wohnungen in Deutschland nach Baujahren (Wohnen und Bauen in Zahlen [18], eigene Darstellung)
Gebäudebestand noch auf einem relativ niedrigen Ni- Den zahlenmäßig größten Anteil machen die Gebäude
veau. Nur in etwa 6 % aller bestehenden Gebäude nach 1949 und vor Erlass der ersten Wärmeschutzver-
wurden 2010 ausschließlich, in insgesamt jedem ach- ordnung 1978 (WSVo) mit rund 18 Millionen Wohnun-
ten Gebäude (13 %) anteilig erneuerbare Energien ein- gen aus. Diese Gebäudeklasse ist auch energetisch mit
gesetzt, u. a. über Solarthermie (gem. Erfahrungsbe- den größten Potenzialen einzustufen. Zu den Gebäuden
richt EEWärmeG [13]). Im Neubau kommen Anlagen vor 1949, die häufig eben auch baulich schützenswert
zur Nutzung erneuerbarer Energien bereits häufiger sind, kann keine pauschalierte Aussage getroffen wer-
vor: in jedem drittem Neubau wird die Raumwärme den. Auch sind diese energetisch oftmals „gar nicht so
primär aus erneuerbaren Energien erzeugt [17]. Und schlecht“. Auch bei Gebäuden ab 1979 und spätestens
in Ein- und Zweifamilienhäusern ist die Nutzung von solche, die ab 1995 nach der dritten WSVo oder ab 2002
Wärme aus erneuerbaren Energien weiter verbreitet nach der EnEV errichtet wurden, sind die energetischen
als in anderen Gebäuden. So werden etwa 75 % der Mindestanforderungen an die Gebäudehülle häufiger
aus erneuerbaren Energien erzeugten Wärme in Ein- auf einem Niveau, das eine zeitnahe Effizienzsteigerung
und Zweifamilienhäusern verwendet, in Mehrfamilien- im Regelfall nicht ansteht. Es ist also davon auszuge-
häusern rd. 12 % und in Nichtwohngebäuden etwa hen, dass diese Gebäude frühestens 2020, eher ab 2030
10 %. erneut modernisiert und erst dann auch energetisch
Einzubeziehen sind in eine Potenzialanalyse des Gebäu- saniert werden.
debestands gegebenenfalls vorhandene bauliche Rest- Im Sektor Gewerbe, Handel, Dienstleistung (GHD)
riktionen, etwa zum Erhalt wertvoller, ggf. denkmal- zeigt sich grundsätzlich eine ähnliche Entwicklung. So
geschützter Bausubstanz oder aus bauordnungsrecht- wurden die Verbräuche für Beheizung und Warmwas-
lichen Gründen. Laut IWU sind etwa 5 % der Altbauten ser vom Höchststand 1996 bis 2012 um knapp 30 %
ganz oder teilweise denkmalgeschützt. Viele weitere reduziert. Die größten Reduzierungen gab es beim Öl
haben laut IWU erhaltenswerte Fassaden [14]. In der und beim Strom. Entsprechend halbierten sich deren
Mehrzahl dieser Fälle könnte aber trotzdem mit mode- relative Anteile am Energieträgermix, während der An-
raten Ansätzen bei der Sanierung eine angemessene, teil von Erdgas anstieg (von 38 % auf 58 %). Drittgröß-
erhaltende, technisch allerdings meist aufwendige und ter Versorger ist die Fernwärme. Auch im Sektor GHD
damit kostenintensive Ausführung erreicht werden. nehmen die erneuerbaren Energien stetig zu, wenn mit
Neben den erhaltenswerten Bauten und Bauteilen ist einem Anteil von nur rund 6 % auch weniger stark wie
für die Beurteilung der Sanierungspotenziale des Be- bei den Haushalten.
stands die Verteilung der Gebäude nach deren Baualter In den Gebäuden des Sektors GHD werden zuneh-
sinnvoll (Bild 2). Denn grundsätzlich gilt: je älter ein mend auch die Verbräuche für die Beleuchtung rele-
Gebäude, desto eher sind energetische Sanierungen ef- vant. Lagen diese 1996 noch bei 96 PJ, verdoppelte sich
fizient durchzuführen. der Verbrauch bis 2012 auf 211 PJ. Im Vergleich zu den