Wärmeschutz von Wohngebäuden

Chronologie

Die Mindestanforderungen an den Wärmeschutz der wärmeübertragenden Bauteile eines Gebäudes sind in DIN 4108-2 vorgegeben. Dabei wird vor allem darauf geachtet, eine Gebäudehülle so auszuführen, damit es bei den zu erwartenden inneren und äußeren thermischen Verhältnissen an keiner Stelle zu einer Taupunktunterschreitung und damit zu einer Feuchtigkeitseinwirkung auf die Baukonstruktion kommen kann.

Darüber hinausgehend wird heute ein Wärmeschutz verlangt, mit dem umfassende Maßnahmen zur Verringerung der Wärmeverluste über die Umfassungsflächen eines Gebäudes und der Wärmeübertragung durch Trennflächen von unterschiedlich temperierten Räumen verbunden sind. Um deren Wirksamkeit überprüfen zu können  sind in DIN V 4108-6 Verfahren angegeben, mit denen der Jahreswärme- und Jahresheizenergiebedarf ermittelt werden kann. Außerdem wurde die Wärmebedarfsberechnung nach DIN 4701 durch einen Teil 10 erweitert, in dem Vorgaben enthalten sind, mit denen sich, unter Einschluss der Anlagentechnik, eine energetische Bewertung eines Gebäudes auch schon bei dessen Planung durchführen lässt.

Ergänzend zu den erweiterten Berechnungsmethoden reagierte der Gesetzgeber unter dem Gesichtspunkt, dass ein erheblicher Anteil des Gesamtenergieverbrauchs zu Lasten der Wärmeverluste von Gebäuden geht, im Jahr 1976 durch Erlassung eines Energiespargesetzes (EnEG), das sich, außer in einer Heizungsanlagenverordnung (HeizAnlV) auch noch in einer Wärmeschutzverordnung (WärmeschutzV) niederschlug. Das EnEG wurde mehrmals novelliert und in Folge auch die beiden vorgenannten Verordnungen, bis sie schließlich im Jahr 2002 in einer Energieeinsparverordnung (EnEV) aufgingen, die wiederum mehrere Veränderungen erfuhr. Diese Entwicklung ist, auch mit der zeitlichen Gültigkeit der verschiedenen Ausgaben in einer Übersicht aus Tabelle 1 zu entnehmen, wobei der Vollständigkeit halber auch noch die von 1. Oktober 1978 bis 28. Februar 1989 geltende Heizungsbetriebsverordnung (HeizBetrV) zu erwähnen ist. Es kann davon ausgegangen werden, dass in einem technischen Gebiet noch nie in einem  solchen Umfang gesetzliche Vorschriften erlassen und kurzfristig mit abweichenden Vorgaben und erheblichen Erweiterungen immer wieder neu gefasst worden sind.

Wärmeschutzverordnung (WärmeschutzV)

In den ersten beiden Auflagen der WärmeschutzV wird zur Begrenzung der Transmissionswärmeverluste auf die einzelnen Bauteile Bezug genommen, die das Gebäude nach außen umhüllen und unterschiedlich temperierte Räume trennen und dazu, für Wand und Fenster zusammengefasst, deren U-Werte begrenzt oder ersatzweise mit der Formel

U_m = (U_W x A_W + U_F x A_F + 0,8 x U_D x A_D⇥

+ 0,5 x U_G x A_G + U_DL x A_DL) / (A_W + A_F + A_D + A_G + A_DL)⇥(1)

ein mittlerer Durchgangskoeffizient U_m definiert, der, in Abhängigkeit von dem Verhältnis A / V_e, einen bestimmten  Maximalwert U_m,max nicht überschreiten darf. Wie aus Bild 1 zu ersehen ist, wurde dieser bei der ersten Novellierung, bei der auch U-Werte für Bauteile bei erstmaligem Einbau, Ersatz oder Erneuerung aufgenommen sind, deutlich herabgesetzt.

Mit der Vorgabe von Höchstwerten für die Wärmedurchgangskoeffizienten von wärmeübertragenden Bauteilen eines Gebäudes war eine einfache Handhabung der Wärmeschutzvorschriften möglich, es ergaben sich damit aber keine Aussagen über den, unter Berücksichtigung der Lüftungswärmeverluste und der solaren und inneren Wärmegewinne zu erwartenden Heizwärmebedarfs. Deshalb wurde in der 3. Ausgabe der WärmeschutzV  mit der Beziehung

Q_H = 0,9 x (Q_T + Q_L) – (Q_I + Q_S)⇥(2)

dessen Ermittlung vorgeschrieben und dabei die Einhaltung eines vorgeschriebenen, vom jeweiligen A/V_e-Verhältnis abhängigen, entweder auf das Bauwerksvolumen V_e oder die Gebäudenutzfläche A_N bezogenen, maximalen Jahresheizwärmebedarfs verlangt. Die zur Berechnung der Transmissions- und der Lüftungswärmeverluste, sowie der Wärmegewinne notwendigen Formeln sind angegeben, welche mit denen der Berechnungsverfahren, die nach den folgenden Verordnungen anzuwenden sind, zwar in den Ansätzen, nicht aber in den Zahlenwerten übereinstimmen. Für kleine Gebäude mit bis zu zwei Vollgeschossen und nicht mehr als drei Wohneinheiten genügt weiterhin die Einhaltung von, für die einzelnen Bauteile vorgegebenen U_max-Werten.

Energieeinsparverordnungen (EnEV)

Mit der Einführung der ersten EnEV 2002 wurden die WärmeschutzV und die HeizAnlV zusammengefasst. Wie bereits mit der letzten Ausgabe der WärmeschutzV begonnen, werden jetzt zur Qualifizierung des Wärmeschutzes nicht nur die einzelnen Bauteile betrachtet, sondern als Zielsetzung eine Gesamtenergiebilanz für das Gebäude verlangt. Die Berechnung der Transmissionswärmeverluste ist dabei prinzipiell gleich geblieben, es wird aber ein Zuschlag für den Einfluss von Wärmebrücken aufgenommen, so dass, auf die Temperaturdifferenz bezogen

 

H_T = ∑(F_xi x U_i x A_i) + ΔU_WB x A⇥(3)

gilt. Der so ermittelte Wert ist, in Bezug auf die wärmeübertragende Umfassungsfläche, mit einem, in Abhängigkeit von A/V_e angegebenen zulässigen Höchstwert H‘_T` zu vergleichen. Außerdem wird jetzt, unter Einschluss des Wärmebedarfs Q_W bei zentraler Warmwasserbereitung und, unter Bezug auf DIN 4701-10, Berücksichtigung, einer, von der Art der technischen Ausrüstung für die Wärmeversorgung abhängigen Gesamtaufwandszahl e_P noch die Ermittlung des Primärenergiebedarfs

Q_P = e_P x (Q_h + Q_W)⇥(4)

verlangt, der, bezogen auf die Gebäudenutzfläche A_N, einen, wieder in Abhängigkeit von A / V_e angegebenen Maximalwert Q_P`` nicht überschreiten darf. Damit wird, neben den Anforderungen an den Wärmeschutz der wärmeübertragenden Bauteile eines Gebäudes, nun der energetische Gesamtkomplex der Wärmeversorgung erfasst und beurteilt.

Für normale Wohngebäude kann der Heizwärmebedarf mit einem vereinfachten Verfahren nach den Angaben in DIN 4108-6 mit der Gleichung

Q_h = 66 x (H_T + H_V) - 0,95 x (Q_S + Q_I) ⇥(5)

ermittelt werden, wobei dort auch die Formeln für den spezifischen Lüftungswärmeverlust H_V, die solaren Wärmegewinne Q_S und die inneren Wärmegewinne Q_I angegeben sind. Für erstmaligen Einbau und Erneuerung von Bauteilen begnügt sich die Verordnung weiterhin mit der Einhaltung von vorgegebenen U_max-Werten, die, vergleichsweise für die verschiedenen Ausgaben der WärmeschutzV und der EnEV in Tabelle 2 enthalten sind.

Bei der Neufassung der EnEV 2004 wurde bezüglich des Nachweises der Einhaltung von Höchstwerten für die Transmissionswärmeverluste und den Primärenergiebedarf nichts verändert. Es wurde aber ein umfangreicher Abschnitt über die Aufstellung eines Energieausweises, mit entsprechenden Musterblättern, aufgenommen. Mit diesem soll der berechnete Energiebedarf eines Gebäudes mit, diesen qualifizierenden, in einer Skala aufgeführten Vergleichswerte in Bezug gebracht werden. Für bestehende Gebäude kann der Energieausweis auf der Grundlage der während des Betriebs erfassten Verbräuche erstellt werden, was wegen der damit nicht berücksichtigten Nutzergewohnheiten zu sehr unterschiedlichen und deshalb nur bedingt verwertbaren Ergebnissen führen kann.

Während bisher für die Einhaltung des Primärenergiebedarf und der spezifischen Transmissionswärmeverluste in Abhängigkeit von dem Verhältnis A/V_e
Höchstwerte vorgeschrieben waren, muss mit der EnEV 2007 nachgewiesen werden, dass der Jahres-Primärenergiebedarf des zu errichtenden Gebäudes den eines Referenzgebäudes gleicher Geometrie, Gebäudenutzfläche und Ausrichtung, für das, sowohl bezogen auf die bauliche Ausführung, als auch auf die technische Ausrüstung, bestimmte Daten vorgegeben werden, nicht überschreitet. Für die energetische Bewertung werden in Abhängigkeit vom Endenergieverbrauch Energieeffizienzklassen eingeführt, die nun auch im Energieausweis Niederschlag finden. Außerdem darf weiterhin beim spezifischen Transmissionswärmeverlust H_T ein bestimmter Höchstwert H‘_T` nicht überschritten werden.

In den Neuauflagen der EnEV 2009 und EnEV 2014 sind bei den Nachweisverfahren, also auch bezüglich des Wärmeschutzes keine Veränderungen vorgenommen worden.

Einfluss der Wärmedämmung

Die Effizienz eines erhöhten Wärmeschutzes kann am Beispiel einer Außenwand betrachtet werden, wenn dazu der in Din 4108-2 für ein solches Bauteil mindestens vorgeschriebene Durchlasswiderstand von R_λ = 1,2 m²K/W mit dem ins Verhältnis gesetzt wird, der sich ergibt, wenn die Wand zusätzlich mit einer Wärmedämmschicht s_D versehen wird. Für das Verhältnis der Wärmeströme gilt dann

 

q_D/q_max = 1,37/(1,37 + s_D/λ_D)⇥(6)

und es ergibt sich für verschiedene λ-Werte der Wärmedämmung in Abhängigkeit von deren Stärke der in Bild 2 dargestellte Verlauf. Daraus zeigt sich, dass damit anfänglich eine starke Reduzierung des Transmissionswärmeverlustes erreicht wird, diese aber ab einer Dämmstärke von etwa s_D = 20 cm abflacht. Die Abnahme des Transmissionswärmeverlustes bei Vornahme einer Wärmedämmung an einer, mit den Mindestforderungen nach DIN 4108 - 2 ausgeführten Wand, ist aus Bild 3 zu entnehmen.

Mit der Verringerung des Transmissionsverlustes sinkt auch die CO₂-Emission, wobei sich z. B. bei der Dämmung einer Außenwand und einem CO₂-Emissionsfaktor f_CO2

 

ΔCO₂ /A_W = f_CO2x 66 x [(1/R_min
- 1/(R_min + s_D/λ_D)]⇥(7)

 

gilt. Der damit erreichbare Effekt ist aus Bild 4 zu ersehen.

 

Wirtschaftlichkeit

Wenn man, wieder ausgehend von dem vorgenannten Mindestdurchlasswiderstand, die sich je nach Stärke der Wärmedämmung ergebenden Kapitalkosten gegen die sich, wegen der durch diese Maßnahme erreichte Abnahme der Wärmekosten verrechnet, erhält man, mit den in Tabelle 3 enthaltenen Randbedingungen mit der aus VDI 2067-1 entnommenen Formel

 

K_K - K_W = z^T x(z-1)/(z^T-1) x [I₀ - {[1-(r/z)^T]/(z-r)} x k_W x ΔQ_hT/η_a]⇥(8)

 

als Differenz der Kapitalkosten K_K und Wärmekosten K_W den in Bild 5 gezeichneten Verlauf. Danach bestimmt der Tiefpunkt, je Nutzungsdauer T, eine optimale Dämmstärke s_D zwischen 15 und 20 cm. Mit einer Wärmedämmung von s_D = 20 cm beträgt die Abnahme des Transmissionswärmeverlusts gegenüber der ungedämmten Wand nach Gleichung (5), wenn die sonst noch in dieser enthaltenen Parameter gleich bleiben, 38 kWh/m²a. Bei dem sich mit den in Tabelle 3 festgelegten Ausgangsgrößen und einer angenommenen Nutzungsdauer von T = 40 Jahren ergebenden spezifischen Wärmepreis von 0,136 €/kWh, nehmen, unter Berücksichtigung eines Jahresnutzungsgrads, damit die Wärmekosten um 5,71 €/m²,a ab, womit sich dann, selbst wenn man nur den Investitionsaufwand von 120 €/m² ohne Kapitalkosten ansetzt, eine Amortisationszeit von 21 Jahren ergibt.

Ähnliche Bedingungen gelten bei der Wärmedämmung des Daches, während sich beim Einbau von Fenstern, die einen hohen Wärmedurchlasswiderstand haben und wofür mit einem Kostenaufwand von 200 bis 400 €/m² zu rechnen ist, z. B. beim Ersatz einer Einfachverglasung eine kürzere Amortisationszeit erreichen lässt. Es wird aber immer schwierig bleiben, die Vornahme von Wärmeschutzmaßnahmen, vor allem an bestehenden Wohngebäuden, wirtschaftlich zu begründen.

 

Veränderung des Jahresheizwärmebedarfs

Zur Demonstration, in welchem Umfang sich der Jahres-Heizwärmebedarf Q_h mit der Fortschreibung der Wärmeschutz- und Energieeinsparverordnungen verringert hat, wurde dieser für ein, als Kubus mit Flachdach und unbeheizten Keller, mit den in Tabelle 4 angegebenen Daten ausgeführtes, 3-geschossiges Wohngebäude mit der in DIN V 4108-6 angegebenen vereinfachten Methode, unter Benützung von Gleichung (5) für die bis jetzt geltenden Verordnung mit den in Tabelle 2 angegebenen U-Werten berechnet.

Das Ergebnis ist, bezogen auf die Nutzfläche A_N in Bild 6 aufgetragen. Danach wird bei diesem Beispiel mit den Vorgaben der zuletzt novellierten EnEV 2014 der Jahres-Heizwärmebedarf gegenüber den in der ersten WärmeSchV geltenden Anforderungen auf knapp 40 % reduziert.

Statistik

Wie sich die ständige Verschärfung der gesetzlichen Anforderungen im Laufe der Jahre auf den Energieverbrauch auch im Vergleich mit der Veränderung der Gesamtwohnfläche, auswirkte, ist aus Bild 7 (Basis 1990 - 100 %), zu erkennen. Man sieht, wie der Heizenergiebedarf, bei gleichzeitigem Anstieg der Wohnfläche, deutlich zurückgegangen ist. Dabei ist aber zu beachten, dass dies, außer durch die verbesserten Wärmedämmung, besonders auch mit der Modernisierung der fürdie Heizwärmeversorgung installierten technischen Anlagen und die Vorgaben für deren Ausführung und Betrieb bei Neubauten zu erklären ist. Allerdings hat dies, wie aus den in Bild 8 (Basis 1990 = 100 %) eingezeichneten Verläufe der Preisindizes zeigen, für die Installationen von technischen Anlagen für Heizung und Warmwasserversorgung ein wesentlich stärkerer Kostenanstieg zur Folge, als vergleichsweise für die Bauleistungen insgesamt, was mit durch die verschärften Auflagen in der EnEV zu erklären ist.

Fazit

Zusätzlich zu den zunächst maßgebenden Richtlinien zum Mindestwärmeschutz von Bauteilen, verlangt der Gesetzgeber inzwischen eine Bauausführung, mit der Höchstwerte für die Transmissionswärmeverluste und den Primärenergiebedarf nicht überschritten werden. Die seit 1977 für den Wärmeschutz und die Ausführung, sowie den Betrieb der für die Wärmeversorgung eines Wohngebäudes installierten technischen Anlagen geltenden Verordnungen wurden im Laufe der Jahre immer wieder, mit noch schärferen Auflagen, novelliert und dabei in ihrer Handhabung immer komplizierter und unübersichtlicher, besonders wenn man nicht das vereinfachte Nachweisverfahren benutzen kann. Es stellt sich deshalb in diesem Zusammenhang die Frage, ob es, zumindest für Wohngebäude, für die Einhaltung eines Mindestwärmeschutzes nicht weiterhin ausgereicht hätte, bei den wärmeübertragenden Bauteilen einen maximal zulässigen Wärmedurchlasswiderstrand vorzuschreiben, der z. B. bei den Fenstern schon mit dem Produktangebot eingehalten werden muss. Damit könnte auch gesichert werden, dass die, noch von der Geometrie und dem Standort eines Gebäudes abhängigen Transmissionsverluste einen festgelegten Höchstwert nicht überschreiten.

Dabei bliebe es unbenommen, zur Bewertung der energetischen Effizienz eines Gebäudes dessen fiktiven Heizwärmebedarf und den darauf beruhenden Primärenergiebedarf zu bestimmen, welche, da dabei die diese wesentlich beeinflussenden Nutzergewohnheiten nicht erfasst werden, von den sich real einstellen Werten erheblich abweichen können. Überhaupt ist festzustellen, dass es sich bei den ganzen Nachweisverfahren um theoretische Berechnungen handelt, deren Ergebnisse, wenn man von speziellen Forschungsvorhaben absieht, mit denen, die sich in der Praxis tatsächlich ergebenden Verbrauchswerten, nicht kontrolliert werden.

Bei den Forderungen nach einem erhöhten Wärmeschutz muss man sich auch im klaren sein, dass sich die damit verbundenen Mehrkosten, z. B. bei der Nachrüstung eines bestehenden Gebäudes, innerhalb der bei einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung üblicherweise angesetzten Zeitspannen nicht amortisieren lassen. So gesehen sind die immer weiter verschärften Forderungen der EnEV quasi ein Konjunkturprogramm für den Markt von Dämmstoffen, Fenstern und der technischen Gebäudeausrüstung. Als positives Ergebnis wird damit aber immer das ökologische Verlangen einer geringeren Beanspruchung der Energieressourcen und einer Reduzierung des CO₂-Ausstoßes erfüllt. Letztlich ist zu entscheiden, wie man die Prioritäten setzen will.

 

Literatur

[1] Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz, Wärmedämmung von Außenwänden mit dem Wärmedämmverbundsystem. [2] Arbeitsgemeinschaft für zeitgemäßes Bauen e.V.,Bauforschungsbericht Nr. 67