Bei dieser Untersuchung sollen verschiedene Dämmungsvarianten einer Auskragung (z.B. Balkon oder Erschließungsfläche) gegenübergestellt werden. Die Studie bezieht sich dabei ausschließlich auf den energetischen (Wärmeverlust) und den thermischen (Schimmelbildung/Kondensation) Aspekt der verschiedenen Varianten. Wirtschaftliche, ästhetische oder konstruktive Gesichtspunkte spielen in der Praxis natürlich ebenso eine Rolle, sollen hier aber nicht behandelt werden.

Bei der thermischen Beurteilung einer Wärmebrücke gilt es allgemein jeweils zwei unterschiedliche Aspekte zu betrachten:

1. Die lokale Temperaturreduktion der Oberfläche (Wand oder Decke) im Bereich der Wärmebrücke
   Diese wird üblicherweise durch die Ermittlung der niedrigsten inneren Oberflächentemperatur bei vorgegebenen Randbedingungen ermittelt. Diese Minimaltemperatur sollte jedenfalls über der Taupunkt-Temperatur (Kondensatbildung) liegen. In der Regel wird jedoch gefordert, dass die Temperatur auch über der 80% relativer Luftfeuchte entsprechenden Temperatur liegt. Wird dieses Temperatur- bzw. Feuchteniveau über einen längeren Zeitpunkt erreicht, so ist mit der Ausbildung von Schimmel zu rechnen.

2. Der zusätzliche Energieverlust (Heizwärmebedarf) resultierend aus der Wärmebrücke
   Analog zum „U-Wert“, welcher den Energieverlust für einen Quadratmeter Wandfläche und einen Grad Temperaturunterschied widerspiegelt, wird für die Bemessung einer Wärmebrücke der sogenannte lineare Wärmedurchgangkoeffizient Ψ („psi“) berechnet. Der Ψ-Wert gibt entsprechend den Energieverlust für einen Laufmeter der Konstruktion bei einem Grad Temperaturunterschied wieder.

Randbedingungen

Für die Randbedingungen wurde ein Modell gewählt, bei welchem die beiden angrenzenden Etagen als geheizt angenommen werden. Die innere Temperatur wird mit 20°C festgelegt, die äußere mit -5°C (dies entspricht z.B. den Randbedingungen in DIN 4108-3). Zur Berechnung der Taupunkt- und Schimmeltemperaturen wird die Luftfeuchte im Innenraum mit 60% festgelegt, dies weicht von den 50% Luftfeuchte nach DIN 4108-3 ab, stellt aber – je nach Nutzung und Nutzerverhalten – durchaus einen realistischen Wert dar.

Anzumerken ist, dass zusätzlich zu den Minimaltemperaturen immer auch der Temperaurfaktor f*_Rsi ermittelt wird. Dieser ist von der Wahl der Temperaturniveaus unabhängig.

Modelle

Als Modell wurde eine auskragende Balkonplatte mit einer Länge von 150 cm gewählt (gemessen ab der äußeren Wandoberfläche). Die Betonplatte weist eine Stärke von 20 cm auf.

Beim Wandaufbau werden zwei Typen unterschieden, da – wie sich zeigen wird – die Auswirkungen der Wärmebrücke sehr unterschiedlich sind:

Stahlbetonwand: 1 cm Innenputz (λ=0,7 W/mK) 18 cm STB 1% armiert (λ=2,3 W/mK) 24 cm Dämmung (λ=0,038 W/mK) 0,5 cm Bewehrung,Kunstharzputz (λ=0,4 W/mK) U-Wert: 0,152 W/m²K

Mauerwerk-Wand: 1 cm Innenputz (λ=0,7 W/mK) 25 cm Hochlochziegel (λ=0,12 W/mK) 16 cm Dämmung (λ=0,038 W/mK) 0,5 cm Bewehrung,Kunstharzputz (λ=0,4 W/mK) U-Wert: 0,154 W/m²K

Hinsichtlich der Balkondämmung werden jeweils zwölf Fälle unterschieden:

• Ungedämmte Auskragung
• In die Decke eingelegte Dämmplatte 50 x 2 cm (Innendämmung)
• Dämmkeil im Eckbereich 50 x 10 cm verputzt (Innendämmung)
• Thermisch getrennter Balkon (Isokorb Modell KXT 30 R90)
• Balkon mit Außendämmung 8 cm stark (λ=0,038 W/mK)
  unterschiedlicher Längen: 30 cm, 75 cm, 120 cm, voll
• Balkon mit Außendämmung 16 cm stark (λ=0,038 W/mK)
  unterschiedlicher Längen: 30 cm, 75 cm, 120 cm, voll

Insgesamt wurden also 2 x 12 Simulationen durchgeführt (zur Verfeinerung der Ergebnis-Darstellung wurden bei der Außendämmung noch weitere Zwischenwerte berechnet). Hier eine graphische Übersicht über die verschiedenen Simulationsmodelle:

Simulationsmodelle „Mauerwerk-Wand“

ungedämmt	8cm Außendämmung l=30cm	16cm Außendämmung l=30cm
eingelegte Dämmung	8cm Außendämmung l=75cm	16cm Außendämmung l=75cm
Dämmkeil	8cm Außendämmung l=120cm	16cm Außendämmung l=120cm
Therm. Trennung (Isokorb)	8cm Außendämmung l=voll	16cm Außendämmung l=voll

Simulationsmodelle „Stahlbeton-Wand“

ungedämmt	8cm Außendämmung l=30cm	16cm Außendämmung l=30cm
eingelegte Dämmung	8cm Außendämmung l=75cm	16cm Außendämmung l=75cm
Dämmkeil	8cm Außendämmung l=120cm	16cm Außendämmung l=120cm
Therm. Trennung (Isokorb)	8cm Außendämmung l=voll	16cm Außendämmung l=voll

 

Simulation & Ergebnisse

Für die Berechnungen wurden laut Norm die Minimaltemperaturen mit einem inneren Wärmeübergangswiderstand von  R_si=0,25 m²K/W berechnet. Für die Berechnungs des Energieverlusts (Ψ-Werte) wurde entsprechend der Norm R_si=0,13 m²K/W gewählt.  Da die Simulationen eine große Menge an interessanten Details zeigt, sind die Temperatur- und Wärmestromansichten für jeden Simulation am Ende des Artikels abrufbar. Durch Anklicken werden die Graphiken in höherer Auflösung angezeigt. Die quantitative Auswertung der Ergebnisse hinsichtlich Temperaturen und Energieverlust werden hier als Tabellen und Übersichtsdiagramme dargestellt:

Vergleich  der minimale Oberflächentemperaturen

Die thermischen Simulationen haben die folgenden minimalen Oberflächentemperaturen ergeben:

Als Diagramm lassen sich die Ergebnisse wie folgt darstellen:

Anmerkung: die eingezeichnete Taupunkt und Schimmeltemperatur sind für das angenommene Innenklima 20°C/60% gültig.

Vergleich des Energieverlusts / Ψ-Werte

Die thermischen Simulationen haben die folgenden Energieverluste ergeben:

Als Diagramm lassen sich die Ergebnisse wie folgt darstellen:

 

Aussagen & Interpretationen

Unterschiedliche Effekte bei Stahlbeton- oder Mauerwerk-Konstruktion

Ein wichtiges Ergebnis der Simulationen ist die Aussage, dass sich der Wärmebrückeneffekt durch die Auskragung bei der Stahlbetonwand deutlich anders auswirkt als bei der Ziegelwand. Während der Energieverlust bei der Stahlbeton-Konstruktion deutlich erhöht ist, entschärft die zusätzlich durch den gut wärmeleitenden Stahlbeton herbeigeführte Wärme die Oberflächentemperatur-Problematik signifikant. Anders ausgedrückt: durch das heutzutage verwendete gut dämmende Mauerwerk, kann der Wärmeverlust der Wärmebrücke etwas reduziert werden, jedoch sind die Auswirkungen auf die Minimaltemperatur im Bereich einer nicht oder schlecht gedämmten Wärmebrücke ausgeprägter. Dieser Effekt ist auch bei anderen klassischen Wärmebrücken wie z.B. Anschlussstellen etwa von Fenstern zu berücksichtigen.

Innendämmung einer Auskragung, eines Balkons

Entsprechend der obigen Unterscheidung STB/Mauerwerk-Wand muss auch bei den Auswirkungen der Innendämmung (eingelegte Dämmung/Dämmkeil) differenziert werden. Beim gut dämmenden Mauerwerk zeigt die Anbringung einer Innendämmung eine deutliche Wirkung, und kann die minimalen Oberflächentemperaturen signifikant erhöhen. Bei der Stahlbeton-Wand hingegen, hat die Innendämmung keinen Effekt (Dämmkeil), bzw. bei der eingelegten Dämmung sogar einen leicht negativen! Dies erklärt sich dadurch, dass durch die Innendämmung lokal im Eckbereich weniger Wärme vom Innenraum in die Decke eindringen kann und es deshalb zu einer lokalen Temperaturreduktion in der Wand kommt.
Hinsichtlich des Energieverlusts zeigt die Innendämmung bei der Ziegelwand eine sehr geringe und beim Stahlbeton praktisch keine Wirkung, da der Wärmestrom in der gut leitenden Betonplatte die Dämmelemente leicht umgehen kann.

Außendämmung einer Auskragung, eines Balkons

Grundsätzlich ist zu sehen, dass die thermische Isolierung mittels Außendämmung eine möglichst vollständige Dämmung der Balkonplatte erfordert. Die Auskragung entspricht vom Prinzip her weitgehend einer Kühlrippe, da die auskragende Stahlbetonplatte eine hohe Wärmeleitfähigkeit und gleichzeitig eine sehr große Oberfläche aufweist. Aus diesem Grunde ist es notwendig den Balkon mit ausreichend starker Dämmung und möglichst vollständig „einzupacken“. Wird dies gemacht, so ist es möglich die minimale Oberflächentemperatur innen zu erhöhen. Beim STB-Wandaufbau gelingt die Temperaturerhöhung  einigermaßen gut, beim Mauerwerkswandaufbau erzielt die Innendämmung diesbezüglich ähnliche, zum Teil sogar bessere Werte.
Hinsichtlich des Energieverlusts kann eine entsprechend gute Dämmung außen die Effizienz der Innendämmung jedenfalls übertreffen, jedoch liegen die erreichbaren Werte selbst bei vollständiger Dämmung deutlich hinter jenen der thermischen Trennung (Isokorb).

Thermische Trennung der Auskragung (Isokorb)

Sowohl hinsichtlich der Minimaltemperaturen, als auch besonders hinsichtlich des Energieverlusts stellt die thermische Trennung eindeutige die beste Lösung dar. Hinsichtlich des Energieverlusts ergibt sich durch den Einsatz der thermischen Trennung eine Reduktion von 78% bei der Mauerwerk-Wand und 82% bei der Stahlbetonwand, verglichen mit dem ungedämmten Balkon. Selbst bezogen auf die Energieverlustwerte des vollständig mit 16 cm Dämmung gedämmten Balkons bringt die thermische Trennung eine zusätzliche Einsparung von mehr als 40%.
Auch hinsichtlich der inneren Oberflächentemperaturen erzielt die thermische Trennung eindeutig die besten Werte. Die hohe Effizienz der thermischen Trennung lässt sich dadurch erklären, dass diese am optimalen Ort, nämlich exakt in der Dämmebene der Wand angebracht ist. Der Wärmestrom aus dem Innenbereich kann dort bestmöglich unterbunden werden, da die thermisch zu isolierende Oberfläche dort minimal ist.

Konstruktive Trennung

Anzumerken ist, dass – so ferne möglich – der konstruktiv vollständig getrennte Balkon thermisch jedenfalls die Ideallösung darstellt. Dieser Fall ist jedoch aus ästhetischen oder konstruktiven Gründen nicht immer durchführbar. Hinsichtlich der hier durchgeführten Untersuchung ist dieser Fall ebenso nicht relevant, da dann keine Wärmebrücke vorliegt. Die Temperatur und Energieverlust-Werte entsprechen dann jenen der „ungestörten“ Wand. Bei der Stahlbetonwand existiert praktisch kein erhöhter Energieverlust  (Ψ=0,000 W/mK) beim Mauwerk ergibt sich infolge des Deckenanschlusses eine geringe Erhöhung (Ψ=0,025 W/mK).

Thermische Simulationen – Temperaturansichten und Messwerte

Hinweis: die in den Grafiken angezeigten Minimaltemperaturen wurden laut Norm mit einem erhöhten Wärmeübergangswiderstand R_si=0,25 m²K/W gerechnet. Der PSI-Wert, die Isothermen- und Farbdarstellung entspricht der Berchnung mit R_si=0,13 m²K/W.

für die Mauerwerk-Wand

ungedämmt	8cm Außendämmung l=30cm	16cm Außendämmung l=30cm
eingelegte Dämmung	8cm Außendämmung l=75cm	16cm Außendämmung l=75cm
Dämmkeil	8cm Außendämmung l=120cm	16cm Außendämmung l=120cm
Therm. Trennung (Isokorb)	8cm Außendämmung l=voll	16cm Außendämmung l=voll

für die Stahlbeton-Wand

ungedämmt	8cm Außendämmung l=30cm	16cm Außendämmung l=30cm
eingelegte Dämmung	8cm Außendämmung l=75cm	16cm Außendämmung l=75cm
Dämmkeil	8cm Außendämmung l=120cm	16cm Außendämmung l=120cm
Therm. Trennung (Isokorb)	8cm Außendämmung l=voll	16cm Außendämmung l=voll

Thermische Simulationen – Wärmestromansichten

für die Mauerwerk-Wand

ungedämmt	8cm Außendämmung l=30cm	16cm Außendämmung l=30cm
eingelegte Dämmung	8cm Außendämmung l=75cm	16cm Außendämmung l=75cm
Dämmkeil	8cm Außendämmung l=120cm	16cm Außendämmung l=120cm
Therm. Trennung (Isokorb)	8cm Außendämmung l=voll	16cm Außendämmung l=voll

für die Stahlbeton-Wand

ungedämmt	8cm Außendämmung l=30cm	16cm Außendämmung l=30cm
eingelegte Dämmung	8cm Außendämmung l=75cm	16cm Außendämmung l=75cm
Dämmkeil	8cm Außendämmung l=120cm	16cm Außendämmung l=120cm
Therm. Trennung (Isokorb)	8cm Außendämmung l=voll	16cm Außendämmung l=voll

Autor: DI Daniel Rüdisser, HTflux

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