Praktische Bauphysik: Eine Einführung mit Berechnungsbeispielen

764 Pages·2005·76.204 MB·German

by  Dipl.-Ing. Gottfried C. O. Lohmeyer, Dipl.-Ing. Heinz Bergmann, Dipl.-Ing. Matthias Post (auth.)

c.o.
Gottfried Lohmeyer,
Heinz Bergmann, Matthias Post
Praktische Bauphysik
Konzeption: Gottfried C.O. Lohmeyer
kompakt - verständlich - gut
Bearbeitet von:
Dipl.-Ing. Gottfried c.o. Lohmeyer
Dipl.-Ing. Stefan Baar
Dipl.-Ing. Heinz Bergmann
Dipl.-Ing. Karsten Ebeling
Dipl.-Ing. Matthias Post
Die Fach- und Lehrbücher von Gottfried C. O. Lohmeyer vermitteln umfassendes und ver
ständliches Wissen zur Bauphysik, Statik und zum Stahlbetonbau.
Von den Grundlagen bis zum Profi-Know-how geben Lohmeyers Bücher einen detaillierten
Einblick in die jeweilige Materie - ergänzt durch zahlreiche Beispiele.
Die bewährten Werke sprechen alle an der Planung, dem Bau und dem Betrieb von bauli
chen Anlagen Beteiligten an - vom Studierenden über den Planer bis zum Bauleiter. Auch
der konstruierende Ingenieur, der schon im Entwurf über das anzuwendende Bauverfahren
und damit über die Wirtschaftlichkeit und die Risiken bestimmt, findet praxisorentierte und
methodisch abgesicherte Arbeitshilfen.
c.o.
Gottfried Lohmeyer,
Heinz Bergmann, Matthias Post
Praktische
Bauphysik
Eine Einführung mit
Berechnungsbeispielen
5., vollständig überarbeitete Auflage 2005
lliJ
Teubner
Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
Dipl.-Ing. Gottfried co. Lohmeyer ist geschäftsführender Partner des Ingenieurbüros ISVP
Lohmeyer + Ebeling in Hannover sowie öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für
Betontechnologie.
Email: [email protected]
Internet: www.isvp.de
Dipl.-Ing. Heinz Bergmann ist geschäftsführender Gesellschafter des Ingenieurbüros MBE Mross &
Bergmann Engineering für Tragwerks-und Objektplanung in Laatzen.
Email: [email protected]
Internet: www.m-b-e.de
Dipl.-Ing. Matthias Post ist Architekt und öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für
Schäden an Gebäuden in Hannover.
Email: [email protected]
1. Auflage 1985
2. Auflage 1991
3. Auflage 1995
4. Auflage 2001
5., vollst. überarb. Auflage Oktober 2005
Alle Rechte vorbehalten
© Springer Fachmedien Wiesbaden 2005
Ursprünglich erschienen bei B. G. Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2005
Lektorat: Dipl.-Ing. Ralf Harms / Sabine Koch
www.teubner.de
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk
berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne
der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von
jedermann benutzt werden dürften.
Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de
ISBN 978-3-519-45013-9 ISBN 978-3-322-93878-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-93878-7
Vorwort
Die Bauphysik entwickelte sich während der letzten Jahrzehnte zu einem besonderen Fachgebiet
von grundlegender Bedeutung fiir das Bauen. Veränderte Baumethoden haben diese Entwicklung
erzwungen. Erkenntnisse von Wissenschaft und Forschung ermöglichten große Fortschritte. Die
Bauphysik umfasst die Hauptgebiete der Gebrauchsbeanspruchung von Bauwerken: Wärme
schutz, Feuchteschutz, Schallschutz und Belichtung. Sie erfasst auch das Hauptgebiet der Katast
rophenbeanspruchung, den Brandschutz. Bauphysikalische Kenntnisse und Maßnahmen sind bei
der Planung und Ausfiihrung von Bauwerken notwendig, weil deren Qualität langfristig gesichert
werden muss.
Dieses Lehrbuch soll auf elementarer Stufe in die Hauptgebiete der praktischen Bauphysik ein
fUhren. Es erklärt die physikalischen Grundlagen, beschreibt die bei Planung und Konstruktion
auftretenden Probleme und zeigt Wege zu deren Lösung. Die zahlreichen in die Darstellung ein
gefügten Berechnungsbeispiele lassen erkennen, wie sich die bauphysikalischen Anforderungen
und Regeln in der Baukonstruktion auswirken. Dadurch werden die in der Praxis erforderlichen
Maßnahmen fiir das einwandfreie Funktionieren eines Bauwerkes verdeutlicht. Die einzelnen
Abschnitte des Buches erläutern jeweils auch die erforderlichen Schutzmaßnahmen mit allen
dazugehörigen rechnerischen Nachweisen. Die einschlägigen Normen sind berücksichtigt.
Dieses Buch möchte den Studierenden den Zugang zu diesem wichtigen Gebiet des Bauwesens
erleichtern. Den Technikern und Ingenieuren sowie den Architekten in der Praxis will das Buch
bei Planung und Ausfiihrung als kleiner Leitfaden und Nachschlagewerk dienen.
Für die fünfte Auflage wurde das Buch durchgehend bearbeitet und entsprechend den Entwick
lungen auf dem Gebiet der Bauphysik aktualisiert.
Der Abschnitt ,,Physikalische Grundlagen" erläutert zunächst die physikalischen Größen und
Einheiten, mit denen ganz allgemein in der Physik gearbeitet wird. Es sind dieses insbesondere
die Basisgrößen Länge, Masse, Zeit, Temperatur und Lichtstärke. Als abgeleitete physikalische
Größen werden erklärt: Geschwindigkeit und Beschleunigung, außerdem Kraft, Arbeit, Leistung
sowie Flüssigkeits- und Luftdruck, schließlich Wärmemenge, Heizwert und Wärmeinhalt sowie
Wärmeleitfähigkeit und Wärmedurchlass, Wärmeübergang und Wärmedurchgang.
Der Abschnitt Wärmeschutz veranschaulicht zunächst die verschiedenen wärmetechnischen Beg
riffe. Einzelne Rechenbeispiele zeigen die Anwendung dieser Begriffe. Schließlich bringt dieser
Abschnitt zusammenfassend die vollständige wärmeschutztechnische Berechnung fiir ein Wohn
haus.
Der Abschnitt Feuchteschutz schildert die klima- und witterungsbedingten Einwirkungen des
Wassers auf die Bauwerke und deren Bauteile. Sowohl die von innen abwandernde Feuchte als
auch das von unten eindringende Wasser erfordert bestimmte Schutzmaßnahmen. Viele Detail
darstellungen erläutern die konstruktiven Maßnahmen zum Schutz des Bauwerks gegen diese
physikalischen Einwirkungen des Wassers.
Der Abschnitt Schallschutz beschreibt den Außenlärm und die Wirkung des Schalls in den Ge
bäuden. Die zum Wohlergehen des Menschen erforderlichen Schutzmaßnahmen fmden eine aus
fUhrliche Darstellung. Beispiele erklären auch hier die erforderlichen Nachweise.
VI Vorwort
Der Abschnitt Tageslicht befasst sich mit der Sonneneinstrahlung auf die Gebäude. Er zeigt in
aller Kürze die für eine günstige Innenraumbeleuchtung erforderliche Größe und Lage der Fens
ter.
Der vorletzte Abschnitt hat mit dem Brandschutz einen besonderen Bereich des Katastrophen
schutzes zum Inhalt. Viele Beispiele verdeutlichen die erforderlichen Maßnahmen für den bauli
chen Brandschutz mit Detailskizzen der Konstruktion.
Im letzten Abschnitt werden die vorhergehenden Abschnitte, in denen die einzelnen Teilbereiche
der Bauphysik dargestellt wurden, zusanunengefasst. Wesentliche Anforderungen an den bau
physikalischen Standard, die sich aus Wärmeschutz, Feuchteschutz, Schallschutz und Brand
schutz ergeben, sind für die Hauptbauteile vom Keller bis zum Dach zusanunengestellt. Für diese
Standardbetrachtungen wird eine Kurzformel empfohlen.
Selbstverständlich kann dieses einführende Buch mit seiner bewusst praxisbezogenen Darstellung
der wesentlichen bauphysikalischen Probleme nicht allen Ansprüchen gerecht werden. Für be
sondere Fälle wird im Schrifttumsverzeichnis aufweiterfiihrende Spezialliteratur verwiesen.
Allen, die Anregungen zum Schreiben dieses Buches gaben, die das Entstehen des Buches er
möglichten und die an dem Buch mitwirkten, sei an dieser Stelle gedankt. Besonderer Dank ge
bührt den Wissenschaftlern, die jene grundlegenden Arbeiten leisteten, welche für dieses Lehr
buch ausgewertet werden konnten. Dank gilt den Lehrern und Experten, die sich der Mühe zur
Durchsicht des Manuskriptes unterzogen haben und wertvolle Ratschläge zur Verbesserung er
teilten. Für die hervorragende Zusanunenarbeit verdient der Verlag mit seinen Mitarbeitern eine
besondere Anerkennung.
Seit dem Erscheinen der vierten Auflage hat sich Wesentliches auf dem Gebiet des Wärmeschut
zes geändert. Es ist die Energie-Einsparverordnung EnEV mit der Novellierung OS/2004 in Kraft
getreten. Der Abschnitt Wärmeschutz beinhaltet alle Rechenverfahren nach der Energie
Einsparverordnung EnEV nach dem Stand 09/2004. Rechenbeispiele rur den kompletten Nach
weis rur ein Einfamilienhaus zeigen die Vorgehensweise anhand des "Vereinfachten Verfahrens"
und des "Monatsbilanzverfahrens" .
Die vorliegende Auflage der Praktischen Bauphysik wurde von drei Autoren bearbeitet, neu hin
zugekommen sind Dipl.-Ing. Architekt Matthias Post und Dipl.-Ing. Heinz Bergmann. Matthias
Post hat die Bearbeitung der Abschnitte Wärmeschutz und Feuchteschutz übernommen, Heinz
Bergmann bearbeitete den Abschnitt Schallschutz. Diesen bei den Kollegen und dem Wirken des
Verlags sowie der unendlichen Geduld meiner Frau ist es zu verdanken, dass eine neue Auflage
dieses Lehrbuchs und Nachschlagewerks in aktueller Fassung erscheinen konnte. Dank an alle!
Anregungen und Hinweise für die Weiterentwicklung des Buches sind erwünscht und werden
sehr begrüßt.
Hannover, August 2005 Gottfried C. o. Lohmeyer
Inhaltsverzeichnis
1 Physikalische Grundlagen ....................................................................................................... 1
1.1 Allgemeines ..................................................................................................................... 2
1.2 Physikalische Größen und Einheiten ............................................................................... 3
1.3 Länge 1. ............................................................................................................................ 6
1.4 Zeit t ................................................................................................................................. 6
1.4.1 Geschwindigkeit v ............................................................................................... 7
1.4.2 Beschleunigung a ................................................................................................ 9
1.5 Masse m ......................................................................................................................... 12
1.5.1 KraftF ............................................................................................................... 13
1.5.2 Arbeit W ............................................................................................................ 17
1.5.3 LeistungP. ......................................................................................................... 20
1.5.4 Druckp .............................................................................................................. 21
1.6 Stoffinenge v .................................................................................................................. 25
1.7 Stromstärke I .................................................................................................................. 25
1.8 Lichtstärke I ................................................................................................................... 26
1.8.1 Lichtstromf. ...................................................................................................... 28
1.8.2 Lichtausbeute ..................................................................................................... 28
1.8.3 Leuchtdichte L ................................................................................................... 29
1.8.4 Beleuchtungsstärke E ........................................................................................ 30
1.9 Temperatur ..................................................................................................................... 33
1.9.1 Wärmewirkungen .............................................................................................. 35
1.9.2 Wärmemenge Q. ................................................................................................ 39
1.9.3 HeizwertH ........................................................................................................ 39
1.9.4 Spezifische Wärmekapazität c (Stoffwärme, Artwärme) .................................. 41
1.9.5 Wärmeinhalt Qi ................................................................................................. 41
1.9.6 Spezifische Schmelzwärme q ............................................................................ 43
1.9.7 Wärmeleitfähigkeit I .......................................................................................... 44
1.9.8 Wärmedurchlasswiderstand R ........................................................................... 45
1.9.9 Wärmeübergangskoeffizient h. .......................................................................... 46
1.9.10 Wärmedurchgang U .......................................................................................... 48
1.9.11 Wärmestromdichte q ......................................................................................... 49
2 Wärmeschutz .......................................................................................................................... 51
2.1 Zweck des Wärmeschutzes ............................................................................................ 52
2.1.1 Gesundes Leben ................................................................................................ 52
2.1.2 Behaglichkeit ..................................................................................................... 52
2.1.3 Geringer Energieverbrauch ............................................................................... 56
2.1.4 Wärmeverluste verschiedener Hausformen ....................................................... 58
2.2 Wärmeschutztechnische Größen .................................................................................... 59
2.3 Zielsetzung der Energie-Einsparverordnung (EnEV) .................................................... 60
2.3.1 Energie-Einspargesetz (EnEG) .......................................................................... 60
2.3.2 Einfiihrung EnEV .............................................................................................. 61
2.3.3 Zielsetzungen fiir den Neubau ........................................................................... 63
VIII Inhaltsverzeichnis
2.3.4 Zielsetzungen für den Altbau ............................................................................ 63
2.4 Neuerungen der Energie-Einsparverordnung EnEV ...................................................... 64
2.4.1 Erweiterung der Energiebilanz .......................................................................... 64
2.4.2 Neue Systematik der Anforderung zur Energieeinsparung ............................... 65
2.4.3 Ganzheitliche Betrachtung bei der energetischen Gebäudeplanung .................. 65
2.4.4 Beschreibung der energetischen Effizienz mit Aufwandszahlen ....................... 66
2.4.5 Dokumentierung des Energiebedarfs ................................................................. 66
2.4.6 Anwendungsbereiche und flankierende Normen ............................................... 67
2.4.7 Normen in der Energieeinsparverordnung ........................................................ 70
2.4.8 Begriffe der Energie-Einsparverordnung EnEV ................................................ 71
2.4.9 Inhalte der Energie-Einsparverordnung ............................................................. 73
2.5 Anforderungen an neu zu errichtende Gebäude ............................................................. 75
2.5.1 Anforderungen an Gebäude mit normalen Innentemperaturen ......................... 78
2.5.1.1 Begrenzung des Jahres-Primärenergiebedarfs .................................. 78
2.5.1.2 Begrenzung des spezifischen TransmissionswärmeverlustHT ......... 87
2.5.1.3 Methodik des EnEV-Nachweises ..................................................... 89
2.5.1.4 Ausnahmeregelungen bei Gebäuden mit normalen
Innentemperaturen ............................................................................ 90
2.5.2 Anforderungen an Gebäude mit niedrigen Innentemperaturen ......................... 91
2.5.3 Anforderungen an Gebäude mit geringem Volumen ......................................... 93
2.5.4 Mindestanforderungen an den Wärmeschutz .................................................... 95
2.5.5 Anforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz ....................................... 107
2.5.6 Luftdichtigkeit von Gebäuden ......................................................................... 113
2.5.7 Abhängigkeit der Anforderungen von der Gebäudekenngröße A/Ve .............. 115
2.5.8 Zonierung des Gebäudes ................................................................................. 116
2.5.9 Systemgrenzen für die Anforderungen an den Wärmeschutz ......................... 118
2.5.9.1 Systemgrenzen bei Steildächern ..................................................... 120
2.5.9.2 Systemgrenzen bei Flachdächern .................................................... 121
2.5.9.3 Systemgrenze Außenwand .............................................................. 122
2.5.9.4 Systemgrenze Abseitenwände ........................................................ 123
2.5.9.5 Systemgrenze unterer Gebäudeabschluss ....................................... 124
2.5.9.6 Systemgrenze Fenster, Fenstertüren und Außentüren .................... 126
2.5.10 Aneinander gereihte Gebäude ......................................................................... 126
2.5.11 Energiebedarfsausweis .................................................................................... 128
2.5.12 Umsetzung und Genehmigungsverfahren ........................................................ 130
2.6 Anforderungen an bestehende Gebäude ...................................................................... 135
2.6.1 Anforderungen bei Änderung von Außenbauteilen ......................................... 136
2.6.2 Nachrüstverpflichtungen bei Anlagen und Gebäuden ..................................... 143
2.7 Berechnungsverfahren nach der Energie-Einsparverordnung ..................................... 146
2.7.1 Berechnung des Heizwärmebedarfs (Qh) ........................................................ 146
2.7.2 Heizperiodenbilanzverfahren (Vereinfachtes Verfahren) ................................ 147
2.7.2.1 Transmissionswärmeverluste HT im
Heizperiodenbilanzverfahren .......................................................... 151
2.7.2.2 Transmissionswärmeverluste der Wärmebrücken (HwB) ............... 152
2.7.2.3 Wärmedurchgangskoeffizient U ..................................................... 154
2.7.2.4 Berechnungsbeispiele ..................................................................... 159
2.7.2.5 Transmissionswärmeverluste der Fenster und Fenstertüren Uw .... 168
2.7.2.6 Lüftungswärmeverluste Hv ............................................................ 176
2.7.2.7 Interne Wärmegewinne Qj .............................................................. 180
2.7.2.8 Solare Wärmegewinne Qs ............................................................... 180
2.7.2.9 Jahres-Warmwasserwärmebedarf ................................................... 182
Inhaltsverzeichnis IX
2.7.3 Monatsbilanzverfahren .................................................................................... 183
2.7.3.1 Prüfung und Festlegung der Randdaten .......................................... 184
2.7.3.2 Ennittlung der gebäudespezifischen Daten und der
Höchstwerte fiir QP und Hi ........................................................... 185
2.7.3.3 Ennittlung der vorhandenen Werte für: Qh, ep' QP und Hi .......... 185
2.7.3.4 Ennittlung der Wänneverluste im Monatsbilanzverfahren ............ 186
2.7.3.5 Ennittlung der spezifischen Transmissionswänneverluste HT
im Monatsbilanzverfahren .............................................................. 187
2.7.3.6 Ennittlung der spezifischen Lüftungswänneverluste Hy im
Monatsbilanzverfahren ................................................................... 192
2.7.3.7 Ennittlung der monatlichen Wänneverluste ................................... 194
2.7.3.8 Ennittlung der Wännegewinne im Monatsbilanzverfahren ........... 196
2.7.3.9 Ennittlung der internen Wännegewinne ........................................ 196
2.7.3.10 Solare Wännegewinne .................................................................... 197
2.7.3.11 Ausnutzungsgrad und wirksame Wännespeicherfähigkeit... .......... 198
2.7.3.12 Berücksichtigung von Heizunterbrechungen .................................. 199
2.7.3.13 Ennittlung des bezogenen Jahres-Heizwännebedarfs Qh bei
Wohngebäuden ............................................................................... 205
2.7.3.14 Ennittlung der primärenergiebezogenen
Anlagenauf\vandszahl ep ••........••.•.......•...•...................................... 205
2.7.3.15 Ennittlung des Jahres-Heizwännebedarfs im
Monatsbilanzverfahren ................................................................... 206
2.7.3 .16 Ennittlung des vorhandenen spezifischen, auf die
wänneübertragende Umfassungsfläche bezogenen
Hi .................................................
Transmissionswänneverlustes 207
2.7.3 .17 Ausstellen des Energiebedarfsausweises ........................................ 207
2.8 Berechnung des End-und Primärenergiebedarfs ......................................................... 208
2.8.1 Berechnungssystematik des End-und Primärenergiebedarfs .......................... 212
2.8.2 Energetische Bewertung der Anlagentechnik mit dem Diagrammverfahren .. 215
2.8.3 Energetische Bewertung der Anlagentechnik mit dem Tabellenverfahren ..... 219
2.8.4 Energetische Bewertung der Anlagentechnik mit dem
detaillierten Verfahren ..................................................................................... 220
2.8.5 Energetische Bewertung elektrischer Speicherheizungen ............................... 220
2.9 Berechnungen fiir den Nachweis der EnEV ................................................................ 221
2.9.1 Beispiel: Nachweis fiir ein Einfamilienhaus mit dem
Heizperiodenbilanzverfahren .......................................................................... 221
2.9.1.1 Berechnungsschritte des Vereinfachten Verfahrens
fiir Wohngebäude ........................................................................... 226
2.9.1.2 Prüfung der Anwendbarkeit des Berechnungsverfahrens ............... 227
2.9.1.3 Ennittlung der gebäudespezifischen Daten .................................... 227
2.9.1.4 Ennittlung der vorhandenen Werte fiir ili, %, ep' und Hi ........... 231
2.9.1.5 Ennittlung des spezifischen Transmissionswänneverlustes HT ..... 231
2.9.1.6 Ennittlung der U-Werte und Berechnung der Wännebrücken ...... 232
2.9.1.7 Ennittlung der Lüftungswänneverluste Hy .................................... 235
2.9.1.8 Ennittlung der solaren Wännegewinne Qs .................................... 236
2.9.1.9 Ennittlung der internen Wännegewinne Qi .................................... 237
2.9.1.10 Bilanzierung ................................................................................... 238
2.9.1.11 Berechnung des vorhandenen Jahresheizwännebedarfs ili ........... 238
2.9.1.12 Berechnung des bezogenen Jahresheizwännebedarfs % ................ 238
Hi ...
2.9.1.13 Berechnung des vorhandenen Transmissionswänneverlusts 238
2.9.1.14 Berechnung des zulässigen Transmissionswänneverlustes ............ 238