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Home »  Die Zeitschrift »  Archiv »  Jahrgang 2002 »  Ausgabe 2/2002 »  Architektur »  Dachflächenfenster »  ...fürs Passivhaus

...fürs Passivhaus

Fortschritte bei der Energie-Effizienz von Fenstern durften wir in dieser Zeitschrift bereits mehrfach vermelden (zuletzt in Heft 3 und 4/2001). Aber der Einsatz von Dachflächenfenstern im Passivhaus war lange ein Tabu-Thema. Zu groß erschien der Unterschied zwischen der Zertifizierungsanforderung des PHI (Uw ≤ 0,8 W/m2K) und dem Wärmedurchgang der Dachfenster, die i.d.R. bei mindestens dem Doppelten lagen. Hinzu kommt, dass die Einbausituation (außerhalb der Tragwerks- und Dämmebene) zu Wärmebrückeneffekten führt, die deutlich höher sind als bei Wandfenstern.

Doch die führenden Hersteller der Branche haben die Zeichen der Zeit erkannt und im letzten Jahr Neuentwicklungen sowie Verbesserungen des Standardprogramms auf den Weg gebracht.




Tabelle 1:
Glas U-Werte in Abhängigkeit von der Neigung der Scheiben

 



Schwierige Startbedingungen: das Glas in Schräglage

Beim Wettrennen um gute Verglasungs U-Werte haben Dachfenster ein besonderes Handicap. Ein Dreifach-Wärmeschutzglas, das bei senkrechtem Einbau einen UV-Wert von 0,8 W/m2K (BAZ Rechenwert) bringt, hat bei 45° Neigung nur noch ein UV von knapp 1,0 W/m2K (siehe Tab. 1).

In horizontaler Lage ist der U-Wert sogar 40 % schlechter. Der Grund hierfür ist, dass durch die geneigte Lage die Konvektion im Scheibenzwischenraum erhöht wird. Dabei ist noch nicht einmal berücksichtigt, dass sich auch die Abstrahlung an klaren Nachthimmel bei geneigter oder horizontaler Lage verstärkt bemerkbar macht.

Diese unter Experten schon seit längerem bekannte Tatsache wird von den Prüfzeugnissen der Labor- Messungen nicht widergespiegelt. DFF werden in die gleichen (senkrecht stehenden) Klimakammern eingebaut, wie normale Fenster.

Dennoch: Der Schritt hin zu Dreifachgläsern ist auch bei DFF die erste Wahl zu einer nennenswerten wärmetechnischen Verbesserung, denn auch die Zweifachgläser verhalten sich bei Neigung entsprechend schlechter als die (vertikalen) Mess- oder Rechenwerte erwarten lassen.

Roto setzt eine Krypton gefüllte Dreifachscheibe (UV,BAZ= 0,8 W/m2K) mit Thermix-Abstandhaltern ein. Das „Energy“-Fenster erzielt den gleichen Verglasungs U-Wert durch eine beschichtete, außenseitige Vorsatzscheibe.

Velux hat darüber hinaus zur Reduzierung der Wärmebrücke am Glasrand sein gesamtes Scheibenprogramm auf Edelstahl-Randverbund umgestellt.

Der Rahmen: Schwachpunkt auch beim DFF
Auch der Verbesserung der Rahmendämmung sind beim Dachflächenfenster enge technische Grenzen gesetzt – vor allem aus Gründen von Stabilität und Beschlagtechnik. Zum anderen verlangt gerade die Dachfensterproduktion Großserien, so dass technische Innovationen einen Markt mit genügender Größe benötigen. Wahrscheinlich aus letzterem Grund hat sich noch keiner der Hersteller an eine Rahmenkonstruktion mit integrierter Dämmeinlage herangetraut. Gleichwohl sind Verbesserungen zu vermelden.

Der Marktführer (Velux) hat mit GGL „Energy“ (siehe Abb. 2) eine Entwicklung aus dem Bereich von Fenstern mit hohen Schallschutzanforderungen aufgegriffen.

Ein ca. 100 mm dicker Vollholzrahmen bringt mit der Vorsatzverglasung eine Verbesserung des Rahmen U-Wertes auf immerhin 1,45 W/m2K. Durch letzteres wird auch der Wärmebrückenkoeffizient für den Glasrand (yG) positiv beeinflusst. Er liegt mit 0,018 W/mK nur etwa halb so hoch wie bei sonstigen Passivhausfenstern (vgl. Tabelle 2).

Roto hat für seine Neuentwicklung „Niedrigenergie-Dachfenster“ einen Dämmblock in die Konstruktion des Kunststoffrahmens integriert (siehe Abb. 3). Davon wird allerdings nur der Blendrahmen seitlich abgedämmt.

Der Flügelrahmen hat als Randdämmung lediglich eine Luftkammer zwischen Eindeckrahmen und PVC- Profil. In der Regel haben jedoch Kunststoff-Fenster ohne integrierte Dämmung eine schlechtere Dämmung als Holzfenster mit vergleichbaren Abmessungen. Daher bleibt der Rahmen-U-Wert, der für Energiebilanz-Berechnungen angesetzt werden kann, im Bereich des Üblichen (ca. 2,4 W/m2K). Die Zusatzdämmung wirkt sich vor allem bei der Bewertung der Wärmebrücken beim Einbau aus (s.u.).




Tabelle 2:
Wärmetechnische Kennwerte zur Berechnung
der Fenster-Energiebilanz für das VELUX GCL
Energy-Fenster

 


Noch ein prinzipielles Problem: Die Einbausituation
Es hat sich allgemein herumgesprochen, dass zur Vermeidung von Anschluss- Wärmebrücken die günstigste Einbausituation für Fenster in der Mitte des Konstruktionsquerschnittes liegt. Im Holzbau kann das Fenster, wie im condetti®- Teil vom Heft 4/2001 ausführlich dargestellt, auch an die Außenkante des Tragwerks rücken, wenn der Blendrahmen wärmedämmend überdeckt wird oder die innere Leibung gedämmt wird.

Eine Einbausituation außerhalb der Dämm- und Tragwerksebene, wie es beim Dachflächenfenster aufgrund der Wasserführung zwangsläufig der Fall ist, kann nur zu starken Wärmebrückeneffekten führen. Zur Abmilderung dieses Problems wurden von den Herstellern zwei Wege beschritten:

  • Entwicklung von Konstruktionstypen, die eine niedrigere Einbaulage ermöglichen und/oder
  • Einplanung von Dämmelementen, mit denen der Blendrahmen seitlich überdeckt werden kann.

Die Größen dieser Effekte sind quantitativ schwer zu bestimmen. Die bisher üblichen Labormessungen können hierüber keinen Aufschluss geben, da sie die Einbausituation nicht realitätsgerecht abbilden (s. Infokasten). Über die am Roto-Fenster durchgeführten Vergleichsrechnungen lässt sich jedoch abschätzen, dass der Wärmestrom am Einbaurand um mehr als die Hälfte reduziert werden kann.




Abb.3:
Das „NiedrigEnergie“- Kunststoff DFF
von Roto, Fa. Roto Bauelemente

 








Was am Ende heraus kommt

Die Kennwerte des neuen Energiespar-Dachflächenfensters von Velux (s. Tab. 2) erlauben erstmalig mit vertretbarem Aufwand eine exakte Berechnung der Fenster U-Werte entsprechend den Anforderungen des PassivHaus- ProjektierungsPaketes. Dies wird möglich, weil das PassivHaus-Institut im Auftrag des Herstellers, durch umfangreiche Vergleichsrechnungen für alle gängigen Fenster taugliche Mittelwerte der unterschiedlichen Situationen an seitlichem, unterem und oberem Anschluss ermittelt hat.

Auch Roto hatte schon im Jahr 2000 eine detaillierte Parameterstudie beim Ingenieurbüro ebök, Tübingen, in Auftrag gegeben. Doch leider hat der Hersteller bislang keine Ergebnisse veröffentlicht, die für die alltägliche Arbeit der Energiebilanz-Berechnung im Planungsbüro verwertbar sind.

Deshalb sind die folgenden Vergleiche nur für das Velux-Fenster gültig.

Dachflächenfenster sind üblicherweise wesentlich kleiner sind als das für Vergleichszwecke herangezogene Prüffenster (1,23 m x 1,48 m).

Deshalb schlagen die Effekte an den Fenster- Rändern besonders stark durch.






Tabelle 3:
U-Werte des VELUX Dachfensters GCL Energy-Fenster in Abhängigkeit von der Fenstergröße bei 45° Neigung
(Berechnung gem. E DIN EN 10077-2 mit den Kennwerten aus der Untersuchung des PHI, Darmstadt)

 

 






Tabelle 3 zeigt, dass der resultierende Fenster U-Wert bei sinkender Fenstergröße deutlich steigt, vor allem wenn auch die Einbausituation mit betrachtet wird. Das theoretisch erzielbare Optimum für ein Dach-Fenster (ohne Einbau) mit 114 x 140 cm beträgt UW = 1,17 W/m2K. Dass dieser Wert deutlich schlechter ausfällt als die meist in der Werbung verwendeten Laborprüfungen, liegt an zwei Faktoren:

  • Die Berechnung berücksichtigt den erhöhten Wärmeverlust der Gläser durch die Schräglage (s.o.)
  • Der angesetzte Glas-U-Wert beinhaltet den Sicherheit-Zuschlag nach Bauregelliste.

Das größte lieferbare Fenster (114 x 118 cm) hat bei exakter Berechnung einen UW der etwa 2 Zehntel (= 20%) höher liegt als die Laborprüfwerte. Ein kleineres Fenster, das ohne Auswechselung in ein Sparrenfeld passt (z.B. 66 x 98 cm), kommt bereits auf einen Fenster U-Wert von 1,27 W/m2K.
































Abb.4:
Tieferlegen und/ oder Randdämmung.
Maßnahmen zur Reduzierung der Wärmebrücken bei Dachflächenfenster
Bild links: Velux
Bild rechts: Roto


Legende:
a: Innenfutter für maximale Aufbauhöhe von Innenkante Innenverkleidung
bis Außenkante Dachlatte 347cm bei Dachneigung von 25° bis 65°
b: Folienanschluss werkseitig
c: Anschluss luftdicht abkleben
d: Dampfsperre bauseits
e: Roto Innenfutter "exclusiv"
f: Wärmedämmblock NE
g: Anschluss-Schürze außen



Der Einbau entscheidet
Die Einbau-Wärmebrücken stellen nach wie vor das gravierendste Problem
beim Dachflächenfenster dar. Bei einem PassivHaus(Wand)Fenster erhöht der maximal zugelassene yEinbau-Wert (0,01 W/mK) den U-Wert maximal um etwa 0,05 W/m2K. Dies wird auch von den verbesserten Dachflächenfenstern bei weitem nicht erfüllt, trotz der Randdämmungen.

Je nach Fenstergröße steigen die Fenster U-Werte um ca. 0,2 bis fast 0,4 W/m2K, wenn die Wärmebrücken beim Einbau berücksichtigt werden.

  • Bleiben deshalb Dachflächenfenster für das Passivhaus „verboten“?

Sicher wird es in absehbarer Zeit keine PHI-zertifizierten Dachflächenfenster geben. Deshalb ist die Formulierung mit der Velux in der Werbung sein Fenster anpreist („Mit vom PassivhausInstitut bestätigten Kennwerten“) vielleicht etwas irreführend. Aber, wenn man genau liest, ist dies ein Hinweis auf einen wesentlichen Fortschritt: Mit diesen Kennwerten kann der Einfluss der Dachflächenfenster auf die Gesamtenergiebilanz jetzt zuverlässig berücksichtigt werden.

Bei einer Zertifizierung eines gesamten Gebäudes als Passivhaus sind Dachflächenfenster sehr wohl einsetzbar, wenn die Gesamtbilanz stimmt.

Sprich: Wenn z.B. durch kompakte Bauform und die anderen energierelevanten Komponenten wie beim Mehrfamilien-Passivhaus Aachen (siehe Abb. 1) genügend Luft in der Bilanzrechnung besteht. Dann kann der erhöhte Wärmeverlust der DFF durchaus kompensiert werden.

Hohe Solargewinne: Das Positive beim DFF
Dabei hilft die „andere Seite der Medaille“: Dachfenster haben gegenüber normalen Fenstern einen großen Vorteil: Solarenergiegewinne werden
kaum durch Verschattung gemindert.

  • Es gibt keine Leibungsverschattung.
  • Verschattung durch Nachbargebäude, Bäume und Geländetopographie sind im Dachbereich stets am geringsten.
  • Das Strahlungsangebot ist auf geneigten Flächen auch im Winterhalbjahr i.d.R. günstiger (vor allem auf der Nordseite, vgl. Tab. 4)
  • Das Angebot auf Ost- und Westseite erreicht bei 45° Neigung fast die gleichen Werte wie ein senkrechtes Südfenster.

Abminderungen bei den Gewinnen muss man allerdings auch einkalkulieren.

Die g-Werte der Scheiben liegen vergleichsweise niedrig (Velux 43%, Roto 41%). Dennoch kann man davon ausgehen, dass Dachflächenfenster, wenn sie nicht zu klein gewählt werden, unterm Strich eine Energiebilanz aufweisen können, die zumindest der Qualität von ost/westorientierten Vertikalfenstern mit PH-Qualität nahe kommt.

Dies sollte jedoch nicht als Freibrief für eine übermäßige Befensterung von Dachschrägen missverstanden werden. Je flacher die Dachneigung, desto größer wird das Risiko sommerlicher Überhitzung. Es ist dringend anzuraten, eine Sommerfall-Analyse vorzunehmen. Diese ist seit Anfang 2002 Bestandteil des PassivHausProjektierungsPaketes (PHPP 2002).

Weitere Verbesserungen bei den neuen Fenstertypen
Die Hersteller haben die Neuentwicklungen auch zu Verbesserungen genutzt, die nicht unmittelbar Einfluss auf die energetischen Werte haben.

Es ist eine verschiedentlich von Bauherren beklagte Begleiterscheinung der hochwärmedämmenden Verglasungen, dass diese manchmal von außen beschlagen. In klaren Nächten kühlt die Außenoberfläche durch die Abstrahlung an den Himmel unter die Taupunkttemperatur der meist relativ stark mit Dampf gesättigten Außenluft ab. So kann am Morgen – manchmal über mehrere Stunden – der Ausblick durch außenseitiges Beschlagen behindert werden.

Dieses Phänomen tritt bei den heutigen Glasqualitäten deshalb vermehrt auf, weil die Wärmezufuhr von innen reduziert ist und sich die Außenscheibe dementsprechend weniger aufwärmt.

Also handelt es sich beim außenseitigen Beschlagen eigentlich um ein Qualitätsmerkmal.

Solcherlei Qualität lässt sich allerdings schwer verkaufen. Deshalb sind die DFF-Hersteller dazu übergegangen, auf der Außenseite der äußeren Scheibe eine zusätzliche pyrolytische Beschichtung aufzubringen, die die Abstrahlung im Infrarot- Bereich reduziert.

Dadurch wird die Scheibenoberflächentemperatur angehoben und das Kondensatrisiko reduziert.

Ein großes Problem der Dachflächenfenster der Vergangenheit war der meist hochgradig undichte Einbau. Das Anschließen der inneren Dampfbrems- und Luftdichtungsbahn an das weit außenliegende DFF führte – wollte man dies sorgfältig ausführen – zu hohem Arbeitszeitaufwand. Das wärme- und vor allem auch feuchte-technische Problem, das gerade von Luftundichtheiten im Dachbereich erzeugt wird (s. dnq 2/2000) kann aufgrund der neuen Entwicklungen bei Normen und Fachregeln nicht mehr ignoriert werden.

Die Industrie hat reagiert und bietet Dichtungsschürzen für den äußeren Anschluss an die Unterspannbahn und für die innenseitige Verbindung der Dampfbremse an. Diese sind vorkonvektioniert und können zeitsparend direkt mit dem Fenstereinbau montiert werden (wir berichteten darüber in Heft 5/2001).



Tabelle 4:
Strahlungsangebot in der Heizperiode nach PH-PP [kWh/m2a]






Fazit: Auf dem richtigen Weg

Die wärmetechnischen Probleme von Dachflächenfenstern sind erkannt, aber noch nicht ganz gebannt. Die Weiterentwicklungen von Velux und Roto weisen in die richtige Richtung und machen den (behutsamen) Einsatz von Dachflächenfenstern auch bei DreiLiter- und PassivHäusern möglich.

Genauso wichtig ist, dass thermische Verbesserungen zunehmend auch im Standardprogramm zu finden sind. Ohne Dichtungsschürze und Randdämmung des Fensterrahmens sollte heute kein Dachflächenfenster mehr eingebaut werden. Die Industrie bietet hierfür zeitsparende Produkte an, denen eine größere Nachfrage am Markt nur zu wünschen wäre.

U-Werte für Dachfenster: Messung oder Rechnung?
Für Dachflächenfenster gilt im Prinzip das Gleiche, was wir in den Beiträgen zu Wand-Fenstern in den Heften 3 und 4/ 2001 geschrieben haben: Fenster U-Werte, die aus Laborprüfungen stammen, sind mit äußerster Vorsicht zu genießen. Laborwerte haben nur scheinbar einen höheren Wahrheitsgehalt als die Kennwerte, die heutzutage mit Euronorm-konformer Wärmebrückenberechnung (E DIN EN 100 77-2) ermittelt werden können. Labormessungen gelten immer nur für das ganz spezielle Fenster, das gemessen wurde. D.h.:

  • Laborprüfungen werden mit einer Klimakammer i.d.R. bei einem fixen Fensteraußenmaß von 1,23 * 1,48 m ermittelt.
  • Es werden „produktionsfrische“ Wärmeschutzgläser geprüft, d.h. der Sicherheitszuschlag für die Glas U-Werte nach Bauregelliste wird systematisch nicht erfasst.

Bei der Prüfung von Dachflächenfenstern kommen weitere, wenig
praxisgerechte Einschränkungen hinzu:

  • Die Fenster werden in vertikaler Position geprüft, so dass der erhöhte Wärmedurchgang der Gläser, der sich aus der Schräglage ergibt (siehe Tabelle 1) nicht erfasst wird.
  • Das Fenster wird nach Prüfvorschrift so in den Kasten eingebaut, dass der Fensterblendrahmen seitlich in 20 mm Höhe von einer Dämm-Maske überdeckt wird (s. Abb. 5). D.h. die Versuchsanordnung entspricht nicht der normalen Einbausituation in der Praxis, bei der das Fenster i.d.R. mehrere Zentimeter oberhalb der Außenkante der Sparren liegt.

Von daher ist es auch nicht verwunderlich, dass der Effekt von zusätzlichen Randdämmungen bei der Laborprüfung eher bescheiden ausfällt.

In Wirklichkeit bietet die Randdämmung – ganz gleich ob sie mit vorkonvektionierten Elementen oder handwerklich am Bau hergestellt wird – ein großes Einsparpotenzial (und gleichzeitig eine erhöhte Sicherheit bei der Vermeidung von Oberflächentauwasser in der Leibung).







Abb.5:
Schematische Darstellung der
Prüfanordnung nach DIN 52 619-1
Quelle: Mitteilungen des DiBt 6/96


 

 






Legende:

a: Abdeckrahmen
b: Verglasung
c: Flügelrahmen
d: Dichtungsebene
e: Blendrahmen
f: Tiefe der Abwicklungsfläche 100 mm
g: 20 mm
h: Höhe bzw. Breite (innen)
i: Dämmstoffmaske



Der UDFF- Wert: ein Taschenspielertrick
Ein ganz besonderer „Rechentrick“ bei der Bewertung von Dachflächenfenstern darf nicht unerwähnt bleiben. Der gerne verwendete Kennwert kDFF bzw. UDFF wird nicht auf die Blendrahmen- Außenabmessungen (Breite * Höhe) bezogen, sondern auf eine sogenannte „innere Abwicklungsfläche ADFF“. Diese ergibt sich aus der Summe des inneren Blendrahmenmaßes plus dem Produkt aus Blendrahmen Innenumfang und einer fixen Rahmenhöhe von 10 cm (siehe Abb. 5). Hierdurch wird die Bezugsfläche gegenüber der sonst üblichen Definition von Fensterflächen um ca. 15 % erhöht.

Dafür gibt es keinen physikalisch nachvollziehbaren Grund. Aber ein Wärmedurchgangs-Koeffizient, der um ein bis drei Zehntel niedriger liegt, sieht besser aus.

Nur: Rechnen darf man damit nicht! Die Abmessungen in den Herstellerkatalogen sind stets auf die Blendrahmen-Außenmaße bezogen.

Die „virtuelle“ Abwicklungsfläche kommt dort nicht vor.

Das neue im Entwurf international abgestimmte Prüfverfahren nach prEN ISO 12 567 sieht vernünftigerweise keine speziellen UDFF mehr vor.

Für Sommer 2002 ist eine entsprechende Änderung der Bauregelliste angekündigt.

Für die Durchführung von Energiebilanzrechnungen sollten tunlichst heute schon nur die UW-Werte nach Euronorm verwendet werden.

In den neuen Herstellerprospekten werden diese mittlerweile stets
angegeben.

Grundsätzlich wird jedoch auch für Dachflächenfenster in Zukunft ein Berechnungsverfahren entwickelt werden müssen, das demjenigen für Wandfenster vergleichbar ist. Nur dann ist es möglich, belastbare Kennwerte für DFF beliebiger Größe, Konstruktionsweise und Verlasung zu ermitteln.

Solche Berechnungen sind in Anlehnung an E DIN EN 10077-2 auch heute schon möglich. Das PHI- Gutachten für Velux und die ebök- Studie für Roto weisen den Weg. Was noch fehlt ist eine entsprechende Ergänzung der Euronorm, die die Berechnungs-Randbedingungen einheitlich festlegt.


Autor:
Robert Borsch-Laaks,
Büro für Bauphysik, Aachen


 




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