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Table of Contents
Thermal bridges
Definition and effects of thermal bridges
Introduction
Heat makes its way from the heated space towards the outside. In doing so, it follows the path of least resistance.
A thermal bridge is a localised area of the building envelope where the heat flow is different (usually increased) in comparison with adjacent areas (if there is a difference in temperature between the inside and the outside).
The effects of thermal bridges are:
- Altered, usually decreased, interior surface temperatures; in the worst case this can lead to moisture penetration in building components and mould growth.
- Altered, usually increased, heat losses.
Both effects of thermal bridges can be avoided in Passive Houses: the interior surface temperatures are then so high everywhere that critical levels of moisture cannot occur any longer – and the additional heat losses become insignificant. If the thermal bridge losses are smaller than a limit value (set at 0.01 W/(mK)), the detail meets the criteria for “thermal bridge free design”.
If the criteria for thermal bridge free design are adhered to everywhere, the planners and construction manager don't have to worry about cold and damp spots any more - and less effort will have to be made for calculating the heat energy balance.
Thermal bridge free design leads to substantially improved details; the durability of the construction is increased and heating energy is saved.
Normative definition of thermal bridges
In [DIN10211] (Thermal bridges in building construction – Heat flows and surface temperatures - Detailed calculations) there are numerical procedures relating to the calculation of thermal bridges. Here, a thermal bridge is defined as follows (Section 3.1.1):
Compared to thermal bridge free building components, there are two effects of thermal bridges which occur at each connection point between building components or at places where the composition of the building structure changes:
- altered heat flow
- a change in the interior surface temperature
A general overview is possible if the procedure for determining the transmission heat losses $H_T$ of the building envelope is considered. The following equation in the norm DIN 14683 (Section 4.2) makes a distinction between one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional heat flows.
<latex>
$$H_{T} = \underbrace{\sum_{i}A_{i}U_{i}}_{1d}+\underbrace{\sum_{k}l_{k}\varPsi_{k}}_{2d}+\underbrace{\sum_{j}\chi_{j}}_{3d}$$
\begin{tabular}{ll}
where&
$A_{i}$ & area of the building components, in m^2
$U_{i}$ & thermal transmittance of component $i$ of the building envelope, in W/(m^2\cdot K)
$ l_{k} $ & length of the linear thermal bridge $k$, in m
$ \varPsi_{k} $ & thermal transmittance of the linear thermal bridge $k$, in W/(m\cdot K)
$ \chi_{j} $ & thermal transmittance of the point thermal bridge $j$, in W/K
\end{tabular}
</latex>
Planar regular building components such as the roof areas and exterior walls have the largest share of the total heat flow. For these, heat transfer can be considered one-dimensional with good approximation. The reason for this is that no cross-flows occur in them on account of their homogeneous layered structure. The heat transfer coefficient is defined in the norm [DIN6946] and can be calculated with little effort using the familiar equation given below:
<latex> $$U=\dfrac{1}{R}=\dfrac{1}{R_{si}+\frac{d_{0}}{\lambda_{0}}+\frac{d_{1}}{\lambda_{1}}+\dots+\frac{d_{n}}{\lambda_{n}}+R_{se}} $$
\begin{tabular}{ll}
where&
$R_{si}$ & inner heat transfer resistance , in m^2 \cdot K/W
$d_{n}$ & thickness of the $n$-th component layer, in m
$\lambda_{n}$ & rated value of the thermal conductivity of the $n$-th layer, in W/(m\cdot K)
$R_{se}$ & outer heat transfer resistance, in m^2 \cdot K/W
\end{tabular}
</latex>
The two-dimensional and three-dimensional heat flow proportion of the building envelope is expressed by thermal bridges. They are defined by geometric, constructive and/or material modification and usually exhibit a higher heat flow rate and lower surface temperatures than adjacent standard building components. They occur particularly at the component joints, edges, transitions and penetrations of the standard building components. They are depicted by the linear thermal transmittance $\varPsi$ with the unit W/(mK) and the point thermal transmittance $\chi$ in W/K.
Efects
Additional heat losses
Die Auswirkungen von Wärmebrücken auf die Energiebilanz, sind nicht nur abhängig von der physikalischen Wirkung sondern auch von der Art der Berücksichtigung. So können Wärmebrücken in Rahmen von Energiebilanzierungen wie folgt abgebildet werden:
- pauschal über Wärmebrückenzuschlag $ \Delta U_{bw} = 0,10 \quad W/(m^2\cdot K)$ (EnEV)
- reduzierter Wärmebrückenzuschlag $ \Delta U_{bw} = 0,05 \quad W/(m^2\cdot K)$ (DIN 4108 Beiblatt 2)
- Ψ-Wert aus Wärmebrückenkatalogen z.B. (DIN EN ISO 14683)
- Ψ -Werte aus Berechnung aus (DIN EN ISO 10211)
- keine Berücksichtigung im Falle der Wärmebrückenfreiheit
Der tatsächliche Anteil der Wärmebrücken an den Transmissionswärmeverlusten der Gebäudehülle kann im Grunde nur angegeben werden, wenn die Ψ -Werte für ein konkretes Gebäude berechnet werden. Es wird davon ausgegangen, dass Wärmestromsimulationen mit einer Unsicherheit von ca. 5 % behaftet sind, andere Methoden wie zum Beispiel die Verwendung von Wärmebrückenkatalogen sind bereits mit Unsicherheiten bis zu 20 % behaftet (DIN EN ISO 14683, Kapitel 5.1). Von der Verwendung der Wärmebrückenzuschläge für Passivhäusern wird abgeraten, da sie zu einer Überschätzung der Wärmeverluste führen.
Eine allgemein gültige Angabe, wie groß die tatsächlichen Wärmeverluste durch Wärmebrücken sind, ist allerdings nicht möglich. Dazu sind sie in ihrer Art und Anzahl zu individuell, daher abhängig sind, von dem jeweiligen Gebäude. Beispielsweise müssen sich Wärmebrücken nicht immer negativ auf Bilanzierungen auswirken, bei effizienten Neubauten, gerade im Bereich von Passivhäusern, kann die Berücksichtigung der Ψ -Werte den Heizwärmebedarf durchaus verringern. Im Altbau und bei sanierten Bestandsgebäuden wirken sich Wärmebrücken im Allgemeinen jedoch negativ aus, sie können laut [EnerPHIT] 2 erfahrungsgemäß einen zusätzlichen Wärmeverlust von bis zu 20 % verursachen. Am Beispiel verschiedener Bauprojekte ergaben sich Erhöhungen beim Jahresheiz- wärmebedarf um bis zu 14 kWh/(m²a). Eine sorgfältige Planung bzgl. der Wärmebrücken kann daher entscheidend dafür sein, ob bei einem Bauprojekt der Passivhausstandard überhaupt erreicht wird.
Auswirkung auf die Baukonstruktion
Im Unterschied zu ebenen Bauteilen, kommt es an Wärmebrücken zu einer Änderung der Wärmestromdichte und damit meist zu einer lokalen Senkung der raumseitigen Oberflächentemperatur. Dieser Effekt wird begünstigt, da in Kanten und Ecken die Luftzirkulation eingeschränkt ist. Schränke und andere Wohnungseinrichtungen stören nicht nur die Konvektion, sondern schränken auch den Strahlungsaustausch mit der Umgebung ein. Da der Wasserdampfgehalt der Luft abhängig von der Temperatur ist, kann es an besagten Stellen zu Tauwasserausfall kommen.
Das anfallende Tauwasser kann durch Kapillarwirkung der Baustoffe weiter in die Konstruktion eindringen, die Wärmeleitfähigkeit weiter erhöhen und damit durch weitere Auffeuchtung das Bauteil regelrecht durchnässen. Feuchteschäden an der Baukonstruktion und Schimmelpilzwachstum sind anschließend nicht mehr zu verhindern. Große Schäden gehen jedoch einher, mit generellen Fehlern bei der Planung, Ausführung und Nutzung von Gebäuden und sind kein reines Problem von Wärmebrücken. Sie sind jedoch Keimzellen, an denen es zuerst zu Problemen kommt. Das Risiko von Schimmelpilz im Innenbereich von Wärmbrücken und den damit möglichen toxischen Wirkungen auf den Menschen, muss nichtsdestotrotz gesondert betrachtet werden. Vor allem da Schimmelpilzwachstum bereits oberhalb der Taupunkttemperatur, demnach ohne vorhanden sein von Tauwasser, stattfindet. Für die bauphysikalische Modellbetrachtung kann von Schimmelbildung ausgegangen werden, wenn relative Oberflächenfeuchten von 80 % für die Dauer von 12 h/d vorherrschen (Fachbericht 4108-8).
Anforderungen
Anforderungen Die aktuellen Regeln der Technik (DIN 4108-2), schließen das Risiko von Schimmelpilz im Bereich von Wärmebrücken aus, wenn die minimalen Oberflächentemperaturen unter den vorgestellten stationären Randbedingungen nicht mehr als 12,6 °C betragen. Dies entspricht einem $f_{Rsi}$-Faktor von 0,7 :
<latex> f_{Rsi,min}=\dfrac{12,6^{\circ} C -(-5^{\circ} C)}{20^{\circ} C - (-5^{\circ} C)}=0,7 </latex>
Je höher der $f_{Rsi}$-Faktor ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit von Schimmelbefall. Bei zertifizierten Passivhaus-Komponenten (Bau- und Wandsysteme) sind die minimalen Innenoberflächentemperaturen von mindestens 17° C eingehalten. Dies enspricht einem $f_{Rsi}$-Faktor von 0,9:
<latex> f_{Rsi,min}=\dfrac{17,0^{\circ} C -(-10^{\circ} C)}{20^{\circ} C - (-10^{\circ} C)}=0,9 </latex>
Siehe auch
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| This illustration shows a completely thermal bridge free building envelope,
as implemented in the “Lummerland” Passive House estate in Hannover Kronsberg by the architects Grenz and Rasch of Büro Faktor 10. Literature: CEPHEUS report No. 18, “Climate-neutral Passive House Development in Hannover Kronsberg”, which can be obtained free of charge from http://www.passiv.de/ (Literature → Brief reports and technical literature about the Passive House → Final Reports: Climate-neutral Passive House Development in Hannover-Kronsberg) |
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