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Holzfenster 2012

Konzepte für verbesserten Wärmeschutz am Holzfenster
Holzfenster 2012

Die EnEV 2012 steht vor der Tür: Um die Anforderungen der energetischen Gebäudesanierung umzusetzen, müssen Fenstersysteme weiter optimiert werden. Ein springender Punkt ist hierbei die Verbesserung der Fensterrahmen-Konstruktion in Hinblick auf den Wärmedurchgangskoeffizienten. Mit dem Forschungsprojekt „Holzfenster 2012“ erforschte das ift Rosenheim wie der Wärmeschutz von Holzfensterprofilen verbessert werden kann und erarbeitete Umsetzungsvorschläge zur Erreichung der steigenden energetischen Anforderungen. Dabei wurden auch die fenstertechnischen und gestalterischen Ansprüche berücksichtigt.

Aktuelle und zukünftige Vorgaben der Energieeinsparverordnung (EnEV) [1] sowie steigende Energiekosten erfordern immer energieeffizientere Bauweisen. Zusätzlich werden Anreize durch staatliche Fördermaßnahmen [2] gegeben. Da hierfür sowohl bei Neubauten als auch im Bereich der energetischen Gebäudesanierung die Anforderungen an einzelne Bauprodukte steigen, müssen auch Fenster- und Außentürelemente mit dieser Entwicklung Schritt halten – die Wärmedurchgangskoeffizienten (UW-Werte) dieser Konstruktionen müssen verbessert werden. Die zukünftigen Verschärfungen [3, 4] erfordern dabei, neben Verbesserungen im Bereich der Verglasung, auch eine deutliche Verbesserung der Wärmedurchgangskoeffizienten der Fensterrahmen (Uf-Werte).

Speziell die klein- und mittelständisch strukturierte Holzfensterbranche sieht sich im Zusammenhang mit den steigenden energetischen Anforderungen einer besonderen Herausforderung gegenüber. Durch den in den letzten Jahren rückläufigen Marktanteil fehlen oftmals die erforderlichen Kapazitäten, um zu neuartigen Konstruktionen zu gelangen.
Daher wurde am ift Rosenheim das Forschungsvorhaben „Nachhaltige Optimierung von Holzfensterprofilen zur Erreichung der Anforderungen der EnEV 2012“ durchgeführt.
Aktuelle und künftige Anforderungen
Bild 2 zeigt die Entwicklung der Anforderungsniveaus der Energieeinsparverordnung bezüglich des UW-Wertes in den letzten Jahren sowie mögliche weitere Entwicklungsstufen [1, 3, 4]. Zu unterscheiden sind dabei generell Anforderungen an den Primärenergiebedarf für Neubauten bzw. bauteilbezogene Anforderungen für Bestandsbauten, bei denen detaillierte Anforderungen z. B. an die Wärmedurchgangskoeffizienten von Fenstern (UW-Werte) gestellt werden. Aktuell wird durch die EnEV 2009 bzgl. des Bauteilverfahrens ein UW-Wert von 1,3 W/(m² K) gefordert. Für die nächste Stufe der Energieeinsparverordnung (EnEV 2012) ist mit einer Verschärfung um ca. 30 % bezogen auf den Primärenergiebedarf zu rechnen, was in punkto Bauteilverfahren etwa einem UW-Wert im Bereich von 0,9 bis 1,1 W/(m² K) entspricht.
Mit der übernächsten Stufe der Energieeinsparverordnung (EnEV 2015) ist mit einer Verschärfung des Primärenergiebedarfs um weitere 30 % zu rechnen, was dann einem UW-Wert im Bereich von ca. 0,8 W/(m² K) entsprechen dürfte. Zielsetzung der Bundesregierung bis 2020 ist für den Neubau das „Nullenergiehaus“. Diese Anforderungen dürften sich aber auf den Primärenergiebedarf eines Gebäudes beziehen. Im Hinblick auf das Bauteilverfahren ist eine Beibehaltung der UW-Werte für Fenster im Bereich von 0,8 W/(m² K) realistisch.
Neben den Anforderungen der Energieeinsparverordnung wird der Markt auch von in Deutschland verfügbaren Fördermaßnahmen der KfW (Kreditanstalt für Wiederaufbau) mitbestimmt. Aus den Voraussetzungen für eine Förderung ergeben sich dabei Anforderungen an komplette Gebäude bzw. im Falle von geförderten Einzelmaßnahmen an spezifische Bauelemente [2]. Für den Fall eines Austauschs kompletter Fenster mit Mehrscheiben-Isolierglas (Sanierungsfall) liegt die Mindestanforderung der KfW bei UW#0,95 W/(m² K). Die Voraussetzung für eine Förderung entspricht also schon jetzt etwa dem Anforderungsniveau der nächsten EnEV-Stufe.
Vorgehensweise und Ansätze der Forschungsarbeit
Bisherige Möglichkeiten und Lösungen für hochwärmedämmende Fensterelemente stellen zumeist recht aufwändige und unflexible Lösungen dar, die sehr einseitig ausschließlich den Wärmeschutz im Fokus haben. Im Rahmen des Projektes wurde daher zunächst ein umfangreiches Pflichtenheft erstellt. Darin wurden neben den Anforderungen an die technischen Eigenschaften u. a. auch Konstruktionsdetails und gestalterische Aspekte hinterfragt, um daraus Vorgaben für das „Holzfenster 2012“ abzuleiten.
Um Aussagen zu weiteren Konstruktionsvorgaben treffen zu können, mussten zunächst die zukünftig erforderlichen Uf-Werte (Wärmedurchgangskoeffizienten des Rahmens) ermittelt werden. Diese hängen sowohl von den angestrebten UW-Werten (Wärmedurchgangskoeffizienten der kompletten Fenster) als auch den Ug-Werten (Wärmedurchgangskoeffizienten der Verglasung) ab. Der Zusammenhang ist in Bild 3 grafisch dargestellt. Die berechneten Werte beziehen sich auf ein Holzfenster der Größe 1,23 m x 1,48 m mit einem Rahmenanteil von 30 % sowie wärmetechnisch optimiertem Glasrandverbund.
Auf Basis der ermittelten bzw. benötigten Uf-Werte wurden durch breit angelegte Berechnungen die wärmetechnischen Grenzen von reinen Holzfensterkonstruktionen sowie von durch die Integration von Dämmstoffen optimierten Konstruktionen aufgezeigt.
Weiter wurden an aktuell in der Entwicklung befindlichen Holzfenstersystemen Untersuchungen zu den grundlegenden Leistungseigenschaften (Luftdurchlässigkeit, Schlagregendichtheit, Widerstandsfähigkeit gegen Windlast) im Neuzustand sowie nach künstlicher Alterung durchgeführt.
Für weitergehende wärmetechnische Verbesserungen wurden einige Konzepte und Herangehensweisen ausgewählt und tiefergehend betrachtet. Es wurden Konstruktionsideen umgesetzt und Profilaufbauten mit Dämmstoffen und/oder modifizierten Hölzern untersucht. Die damit verbundenen Auswirkungen auf Gebrauchstauglichkeit und Leistungseigenschaften von Fensterkonstruktionen wurden ebenso wie die für einen Einsatz in der Holzfensterfertigung maßgeblichen Eigenschaften hinterfragt.
Neben Verbesserungsmöglichkeiten bekannter und bewährter Fensterkonstruktionen wurden im Projekt auch innovative Konstruktionsvarianten betrachtet. An einem im Rahmen des Forschungsprojektes gefertigten Prototyp eines Integralfensters (Bild 5) wurden dabei auch weitergehende Untersuchungen und Berechnungen durchgeführt.
Erkenntnisse zur wärmetechnischen Verbesserung
Um den steigenden Anforderungen an den Wärmeschutz gerecht zu werden, können bei Holzfenstersystemen Rahmendicken von mindestens 90 mm in Verbindung mit 3-fach-Mehrscheiben-Isolierglas als kommender Standard angesehen werden. Wichtig bei der Entwicklung und Einführung solcher Systeme ist eine laufende Abstimmung mit Beschlag-, Dichtprofil- und Werkzeugherstellern sowie allen anderen beteiligten Zulieferern zum frühest möglichen Zeitpunkt während der Entwicklungsphase.
Zur wärmetechnischen Verbesserung von reinen Massivholzquerschnitten liefert die Integration von Dämmstoffen in den Blendrahmen eine einfache aber effektive Lösung bei relativ geringem, fertigungstechnischem Aufwand. Die Dämmstoffe können bei Bedarf, unabhängig von der Fensterform (z. B. schräg, rund etc.), in eine Nut im Blendrahmenrücken eingebracht werden. Das Konzept ist sehr flexibel und kann auch von handwerklich orientierten Herstellern angewendet werden.
Besonders gute Zukunftsperspektiven für wärmetechnische Verbesserungen von Holzfenstern bietet auch der Einsatz von modifizierten Hölzern bzw. Hölzern mit geringer Rohdichte und niedriger Wärmeleitfähigkeit. Diese könnten zur wärmetechnischen Verbesserung z. B. im Mittelbereich der Fensterkanteln eingesetzt werden. Im Vergleich zur Integration von Dämmstoffen wird bei dieser Lösung eine Verbesserung aller Rahmenteile (Pfosten, Riegel, Sprossen, etc.) ermöglicht. Der mögliche Verzicht auf den Einsatz von Kunst- bzw. Dämmstoffen bringt in diesem Fall zudem Vorteile bei Konstruktion, Fertigung und Entsorgung.
Im Rahmen des Vorhabens wurden dazu einige Hölzer mit geringer Rohdichte ausgewählt, beispielsweise europäische Hölzer wie Pappel und Tanne, aber auch außereuropäische Hölzer. Ein weiteres Kriterium für die Holzauswahl war neben der Rohdichte auch eine ausreichende Verfügbarkeit. Die ermittelten Wärmeleitfähigkeiten sind in Abhängigkeit der Rohdichte in Bild 6 grafisch dargestellt.
Im abgeschlossenen Vorhaben wurden orientierende Werte der Wärmeleitfähigkeiten von leichten Hölzern bestimmt. Neben der Berücksichtigung der Wärmeleitfähigkeit sollten für einen möglichen Einsatz dieser Holzarten in der Fensterherstellung weitere wichtige Eigenschaften untersucht werden, beispielsweise die Dauerhaftigkeit oder die mechanischen Eigenschaften der Hölzer.
Im Weiteren wurde auch der Einfluss von Modifizierungsverfahren auf die Wärmeleitfähigkeit der Hölzer ermittelt. Dazu wurden Hölzer derselben Charge sowohl mit Modifizierung als auch in naturbelassenem Zustand analysiert. Zur Untersuchung wurden drei Kombinationen unterschiedlicher Modifizierungsverfahren und Holzarten ausgewählt, die derzeit für den Einsatz im Holzfensterbereich im Gespräch sind.
Durch die verschiedenen Modifizierungsverfahren ergeben sich unterschiedliche Einflüsse auf Rohdichte und Ausgleichsfeuchte. Die Auswirkungen der Modifizierungsverfahren auf die Wärmeleitfähigkeit weichen ebenso voneinander ab. In Bild 8 sind die Wärmeleitfähigkeiten der modifizierten Hölzer in Abhängigkeit von der Rohdichte bei Ausgleichsfeuchte grafisch dargestellt.
Auf Basis der orientierenden Untersuchungen im Vorhaben und im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit erscheint die thermische Modifizierung am Beispiel Pappel als besonders interessant. Die weiteren Holzeigenschaften von thermisch modifizierten Hölzern (z. B. thermisch modifizierte Pappel) sind, den Erkenntnissen der anschließenden orientierenden Untersuchungen des Forschungsvorhabens nach, sehr vielversprechend. Die Erfolgsaussichten sind dabei – unter Vorbehalt – auch auf andere thermisch modifizierte Holzarten übertragbar. Um eine Eignung für die Fensterherstellung abschließend nachzuweisen, müssen jedoch eingehendere Untersuchungen folgen, und der erfolgreiche Einsatz der Materialien in der Praxis muss nachgewiesen werden.
Eine Kombination der Konzepte „Dämmstoffe im Blendrahmen“ und „modifizierte Hölzer“ erscheint in vielen Bereichen als besonders interessant. Die im Vorhaben untersuchten Konstruktionen mit wärmetechnischen Verbesserungen zeigten nur geringen Einfluss auf die maßgeblichen Leistungseigenschaften der Fenster. Zudem haben beide Konzepte sehr geringen Einfluss auf gestalterische Aspekte und die Machbarkeit unterschiedlicher Fenstertypen.
Großes Entwicklungspotenzial wird auch in innovativen Verglasungssystemen bzw. in Konstruktionen von Integralfenstern (Bild 3) gesehen. Integrallösungen ermöglichen eine Minimierung der Ansichtsbreiten und damit Vorteile sowohl aus gestalterischen als auch aus wärmeschutztechnischen Gesichtspunkten. Der innerhalb der Projektarbeit gefertigte und untersuchte Prototyp zeigte vielversprechende grundlegende Leistungseigenschaften (Luftdurchlässig-keit, Schlagregendichtheit, Widerstandsfähigkeit gegen Windlast) sowie ausreichende statische Eigenschaften und sehr gute wärmetechnische Eigenschaften.
Ein wesentlicher Teil der Ergebnisse aus den Untersuchungen zur nachhaltigen Optimierung von Holzfensterprofilen hinsichtlich der Anforderungen der EnEV 2012 ist in der links stehenden Tabelle aufgeführt. Es handelt sich um einen Überblick über die Konstruktionsbeispiele zum „Holzfenster 2012“. Die jeweiligen Konstruktionen sind im Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben detailliert beschrieben. Alle aufgeführten Beispiele erfüllen die aktuellen Anforderungen der KfW bzw. die vermutlich in der nächsten Stufe der Energieeinsparverordnung ab 2012 geforderten wärmetechnischen Anforderungen.
Zusammenfassung und Ausblick
Nach den Erkenntnissen des Forschungsvorhabens sind mit Holzfenstern die Anforderungen der nächsten Stufe der Energieeinsparverordnung sowie die aktuellen Anforderungen der KfW erreichbar. Dabei können Rahmendicken von mindestens 90 mm in Verbindung mit 3-fach-Mehrscheiben-Isolierglas als kommender Standard angesehen werden.
Aufgrund der Erkenntnisse des Forschungsvorhabens stehen nun einige Konzepte für die Konstruktion von hochwärmedämmenden Holzfensterprofilen bzw. für das „Holzfenster 2012“ zur Verfügung. Diese Konzepte können von Holzfensterherstellern angewandt werden, um ihr individuelles Produktportfolio „fit“ für zukünftige energetische Anforderungen zu gestalten.
Der Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben kann auf der Website des ift Rosenheim (www.ift-rosenheim.de) im Bereich Literatur bezogen werden. Für ift- sowie ifz-Mitglieder steht der Forschungsbericht im Mitgliederbereich der ift-Website unter „Forschungsarchiv“ zum kostenlosen Download zur Verfügung. ■
Literatur
[1] Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden (Energieeinsparverordnung – EnEV). Energieeinsparverordnung vom 24. Juli 2007 (BGBl. I S. 1519), die durch Artikel 1 der Verordnung vom 29. April 2009 (BGBl. I S. 954) geändert worden ist
[2] Merkblatt: Bauen, Wohnen, Energie sparen; Energieeffizient Sanieren – Kredit. Programmnummer 152 (Einzelmaßnahmen oder Maßnahmenkombinationen). KfW Bankengruppe, Frankfurt.
[3] Richtlinie 2010/31/EU des europäischen Parlaments und des Rates vom 19. Mai 2010 über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (Neufassung). European directive energy performance of buildings EPBD.
[4] (EnEV) Energieeinsparverordnung Änderungen der Energieeinsparverordnung durch die EnEV 2009. Informationen des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (www.bmvbs.de).
Das Forschungsvorhaben wurde mit Mitteln der Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesamtes für Bauwesen und Raumordnung gefördert (Aktenzeichen: Z6-10.08. 18.7-08.30 /II2-F20-08-49).
Folgende Industriepartner, die das Projekt sowohl ideell als auch finanziell unterstützt haben:
FLG Fenster-Leistungsgemeinschaft GmbH, Gottenheim
In der Projektgruppe vertreten durch:
Herstellerinformation
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BM-Wissensquiz
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BM-Titelstars: Fotogalerie
Herstellerinformation
BM auf Social Media
Herstellerinformation
Im Fokus: Materialmangel
Im Fokus: Vakuumtechnik
BM-Themenseite: Innentüren
Im Fokus: Vernetzte Werkstatt

Im Fokus: Raumakustik
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Schallmessung in der Praxis: Michael Fuchs (r.) und Simon Holzer bei raumakustischen Messungen in einem Objekt (Friseursalon Max in Wallersdorf). Foto: Barbara Kohl, Kleine Fotowerkstatt
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