Energieeffziente Stahl-Glaselemente in der Gebäudehülle

16. Oktober 2014

Energieeffizienz und steigende Ansprüche an den Nutzerkomfort werden – wie schon in der Vergangenheit – auch zukünftig die wichtigsten Triebfedern für die Weiterentwicklung von transparenten Fassadenelementen in der Gebäudehülle sein. Dabei spielten und spielen Konstruktionen auf der Basis von Stahlprofilen eine herausragende Rolle.

Trotz zunehmendem Einsatz von Photovoltaik, z. T. auch Solarthermie bleibt die Verbesserung der Wärmedämmung der Gebäudehülle das wichtigste Element für die Energieeinsparung von Gebäuden.

Bewertungsgröße ist der Wärmedurchgangskoeffizient U.

Formal sind die U-Werte der Profile nach EN ISO 1007-2, die U-Werte von Vorhangfassaden nach EN ISO 12631 und die U-Werte von Fenster und Tür nach EN ISO 10077-1 zu ermitteln.

Bei den U-Werten von Fassade, Fenster und Tür spielen neben den U-werten der Einzelkomponenten Profil und Ausfachung, sowie deren Flächenanteilen, der sog. psi-Wert mit den zugehörigen Fugenlängen eine besondere Rolle. Der psi-Wert beschreibt die zusätzliche Wärmeleitung aus der Wechselwirkung von Profil und Ausfachungselement im Einspannbereich. Er wird als längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient bezeichnet.

Auch für Stahlprofilsysteme gilt nach Passivhausstandard eine Wärmedämmung mit einem U-Wert von ≤ 0,8 W/(m²K) über die Gesamtkonstruktion als Maßstab. Um dies zu erreichen, müssen alle Bausteine einzeln und in der Abstimmung untereinander optimiert werden.

  • Baustein 1: Fassadenprofile mit U-Werten bis 0,7 W/(m²K) [1]
  • Baustein 2: Einbau von Isoliergläsern bis 60 mm Füllungsdicke mit Ug = 0,7 bis 0,5 W/(m²K)
  • Baustein 3: Paneele auf der Basis von VI-Platten mit Up-Werten bis 0,10 W/(m²K)
  • Baustein 4: Fenster- und Türprofile mit U-Werten bis 1,4 W/(m²K) und Elementwerten bis 0,80 W(m²K)
  • Baustein 5: Wärmetechnisch optimierte Integration von Glas, Paneel und Ausfachungselement in Fassadensysteme

Baustein 1: Fassadenprofile

  • Kernstück von Stahlsystemen auf Passivhausniveau sind Fassadenprofile mit U-Werten ≤ 0,7 W/(m²K) 1.
  • Dieses Niveau kann heute mit Stahlprofilen von RP Technik sicher erreicht werden (Bild 1). Neben den entsprechenden Füllungsdicken der Ausfachungselemente sind die dargestellten Dämmkörper im Glasfalz die wichtigste Komponente für die guten Wärmedurchgangskoeffizienten.
  • Die Dämmkörper bestehen in der Regel aus geschlossenzelligem Elastomerschaum niedriger Wärmeleitfähigkeit. Ihre Form muss nicht nur gute Dämmwerte ermöglichen, sondern auch den einschlägigen Verglasungsrichtlinien entsprechen.

 Baustein 2: 3-fach-Wärmeschutzglas

  • 3-fach Wärmeschutzgläser mit thermisch optimierten Abstandshaltern sind heute Stand der Technik.
  • Je nach Aufbau (Zahl und Position der LE-Schichten – Abmessung der Scheibenzwischenräume – Art der Edelgasfüllung) sind Ug-Werte zwischen 0,7 bis 0,5 W/(m²K) verfügbar.  – Details siehe Bild 2

 

Baustein 3: Paneele

  • Wie Isoliergläser müssen auch Paneele als opake Ausfachungselemente nicht nur eine ausreichende Wärmedämmung aufweisen, sondern auch alle anderen Aufgaben einer Außenwand, wie Schalldämmung, Brandschutz, z. T. auch Absturzsicherung erfüllen.
  • Um U-Werte in der geforderten Größenordnung von 0,2 W/(m²K) und kleiner zu erreichen, sind bei Standardaufbauten mit Mineralwolle Dämmstoffdicken von 180 mm und mehr erforderlich. Solche Dicken sind vielfach nicht mehr vernünftig in Metall-Fassaden zu integrieren.
  • Einen Ausweg bieten zunächst Paneele auf der Basis von VI-Platten – allerdings mit Schwächen in der Lebensdauer der Hüllfolie durch Überhitzungsprobleme im Sommer und Tauwasserrisiken im Winter.
  • RP-Technik bietet mit dem VI-plus-Paneel mit einer Doppeldämmung aus Mineralwolle in Kombination mit raumseitig angebrachter VI-Platte eine Lösung, die Vorteile beider Systeme kombiniert
    (Bild 3).
    • Sehr gute Wärmedämmung bei Füllungsdicken wie 3-fach-Isoliergläser
    • Keine Überbeanspruchung der Hüllfolie (Bild 4).
    • Sehr niedrige psi-Werte bis 0,02 W/(mK)
    • Einfache Anpassung an die Füllungsdicke der 3-fach-Isoliergläser (Bild 5)

 

Baustein 4: Fenster- und Türelemente

  • Derzeit gehören die Tür- und Fensterserien RP-ISO-hermetic 70 plus zu den leistungsfähigsten Profilserien am Markt – mit Uf-= 1,8 W/(m²K) für die Fensterprofile und Uf = 1,6 W/(m²K) für die Türprofile
    (Bild 6).
  • Als Weiterentwicklung sind Werte bis ca. 1,2 W/(m²K) erreichbar.
  • Am Beispiel des Fensters ergibt sich dann ein Uw-Wert von
    Uw = 0,75 W/(m²K) bei einem Fenstermaß von
    B = 1500 mm x 2200 mm und bei Verwendung einer Isolierglasscheibe mit Ug = 0,5 W/(m²K) mit psi = 0,031 W/(mK). Dieser Wert unterschreitet die Grenze für Passivhausfenster deutlich.

Baustein 5: Wärmetechnisch optimierte Integration von Glas - Paneel - Ausfachungselementen in Fassadensysteme

  • Wärmetechnische Optimierung bedeutet die richtige wärmetechnische Abstimmung von Fassadenprofil und einzubauendem Ausfachungselement als Isolierglasscheibe, Paneel, Fenster oder Tür.
  • Eine tabellarische Gegenüberstellung der psi-Werte von Normwerten und Optimierungswerten macht den Unterschied deutlich – siehe Tabelle in Bild 7. Bei Isoliergläsern wird eine Reduzierung von mehr als 50% und bei Einsatzelementen von ca. 40% erreicht.

Gesamtkonzept

  • Die Gesamtoptimierung aller Bausteine führt dann zu Ucw-Werten bei Stahl-Glas-Vorhangfassaden als Festverglasung bzw. mit Fensterelementen (Achsmaß: 1000 mm bzw. 2000 mm – Elementhöhe: 3600 mm – Brüstungshöhe: 1200 mm – siehe Bild 8 und Bild 9) - unterhalb des Passivhaus-Niveaus.
  • Besonders bemerkenswert: alle Komponenten sind standardmäßig verfügbar.
  • Die niedrigsten Ucw-Werte von 0,39 W/(m²K) werden mit großflächigen Festverglasungselementen erreicht
  • Mit einer Halbierung des Achsmaßes auf B = 1000 mm steigt der Wert auf Ucw = 0,44 W/(m²K)
  • Bei gleichen Elementabmessungen erhöhen sich die Ucw-Werte mit Fensterelementen auf 0,64 W/(m²K) bei einem Achsmaß von 2000 mm und auf 0,74 W/(m²K) bei der Fassade mit einem Achsmaß von 1000 mm.

 Zusammenfassung

 RPT-Gesamtkonzepte ermöglichen mit verfügbarer Technik Werte von Ucw ≤ 1,2 W/(m²K)

  • Mit verfügbarer RP-Technik sind sogar Ucw-Werte bis unter
    0,50 W/(m²K) erreichbar
    • Hochwärmedämmend
    • Passivhaustauglich
    • Zukunftssicher – s. EnEV 2013/2014
    • Voraussetzung für diese sehr niedrigen Ucw-Werte ist das richtige Zusammenspiel von Profil und Füllelement (Glas / Paneel / Fenster).

 

Bild 1: Uf-Werte von passivhaustauglichen Fassadenprofilen bei unterschiedlichen Füllungsdicken.

 

Baustein 1: 3-fach Wärmeschutzglas

 U-Werte 0,7 bis 0,5 W/(m²K)

  • Edelgasfüllung Argon bzw. Krypton
  • 2 LE-Schichten – pro SZR eine Schicht
  • Abstandshalter als warme Kante: Edelstahl oder Kunststoff mit Dampfsperre
  • Abmessung Scheibenzwischenraum: 10 – 16 mm
  • Gesamtenergiedurchlassgrad 0,50 – 0,60
  • Lichttransmission: bis 0,73 (2-fach Glas bis 0,80)

 

Bild 2: Technische Spezifikation 3-fach-Wärmeschutzglas

 

VI-plus-Paneel

 

 

 

Das Prinzip

 

Vakuumisolationsplatte integriert in einem Standard-Fassadenpaneel

 

Der Aufbau

 

  • Vakuumisolationsplatte zur Innenseite
  • Zusatz-Wärmedämmung zur Außenseite, z.B. Mineralfaser
     vor der VI-Platte
  • Deckschale raumseitig aus Aluminium-, Stahl- oder Kupferblech
  • Deckschale außen aus Glas oder Metall mit allen bekannten Oberflächen
  • Standardmäßiger Abstandhalter aus wasserfestem Holz, druckfestem Schaum, Brandschutzplatten, etc.

 

  Bild 3: Aufbau von VI-plus-Paneel

Sommerfall Fassade: Te = 36°C / Ti = 26°C / qS = 640 W/m²

Dicke MW in mm

Dicke VIP in mm

10

20

30

40

0

98,9 °C

101,2 °C

102,0 °C

102,5 °C

20

80,3 °C

89,5 °C

93,5 °C

95,8 °C

40

69,2 °C

80,9 °C

86,7 °C

90,1 °C

60

61,9 °C

74,4 °C

81,1 °C

85,4 °C

80

56,7 °C

69,2 °C

76,5 °C

81,2 °C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fassade Winterfall: Te = -10°C / Ti = 17°C / qS = 0 W/m² (klare Nacht; Nachtabsenkung)

Dicke MW in mm

Dicke VIP in mm

10

20

30

40

0

-13,0 °C

-13,9 °C

-14,2 °C

-14,4 °C

20

-5,3 °C

-9,1 °C

-10,7 °C

-11,7 °C

40

-0,8 °C

-5,6 °C

-7,9 °C

-9,4 °C

60

2,2 °C

-2,9 °C

-5,7 °C

-7,4 °C

80

4,4 °C

-0,8 °C

-3,8 °C

-5,7 °C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

MW = Mineralwolle                                                                                                                                         p = empfohlene Kombination

Te = Außenlufttemperatur                                  Ti = Innenraumtemperatur                                                         qs = solare Einstrahlung

 

 

Bild 4: Hüllfolientemperatur der VI-Platte für Sommer- und Winterfall ohne und mit Doppeldämmung durch
 vorgelagerte Mineralwolle

                               

Bild 5: Einbau von VI- und VI-plus-Paneel neben 3-fach-Wärmeschutzglas

 

RP-ISO-hermetic 70 plus Fenster                                                        RP-ISO-hermetic 70 plus Tür

Uf = 1,8 W/(m²K)                                                                             Uf = 1,6 W/(m²K)

 

Bild 6: Uf-Werte der Stahlprofilserie RP-ISO-hermetic 70 plus

Ausfachungselement

psi-Wert in W/(mK)

Normangabe

Optimierung

Isolierglas mit warmer Kante

0,11 -0,121)

0,042)

VI-plus Paneel

0,14 -0,293)

0,017 – 0,0264)

Fenster – Tür

0,07

0,04

1)        Für alle Wärmeschutzgläser

2)        Für 3-fach-Wärmeschutzglas mit Füllungsdicken ≥ 50 mm

3)        Für beliebige Aufbauten

4)        Für Füllungsdicken ≥ 50 mm

 

 

Bild 7: Längebezogener Wärmedurchgangskoeffizient psi im Vergleich: Normangaben – Ergebnis der Optimierung

Bild 8: Darstellung Vorhangfassaden als Festverglasung

 

Fenster

 

Bild 9: Darstellung Vorhangfassade mit Fensterelementen

 

Bild 10: Ucw-Werte von thermisch optimierten Stahl-Glas-Vorhangfassaden – Aufbau gemäß Bild 8 und Bild 9

Ohne Schraubeneinfluss