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Bauphysikalische Kennwerte im Zusammenspiel Der U-Wert allein macht nicht glücklich

Bei wärme- und lichtdurchlässigen Bauteilen macht die Wechselwirkung von U-Wert und g-Wert die energetische Qualität aus. In die Energiebilanz eines Fensters fließen nämlich sowohl die Wärmeverluste als auch die solaren Einträge ein. GFF erläutert die Hintergründe.

U-Wert, g-Wert, Lichtdurchlässigkeit – am Fenster gibt es verschiedene bauphysikalische Kenngrößen. Dieser Artikel beantwortet die wichtigsten Fragen:

  • Warum sagt der U-Wert alleine noch nichts über die energetische Qualität von Fenstern aus?
  • In welcher Wechselwirkung stehen U-Wert und g-Wert?
  • Was ist der äquivalente Wärmedurchgangskoeffizient?
  • Wie beeinflusst der Glasaufbau die Lichtdurchlässigkeit?

Im Winter Heizenergie sparen

Wer in neue Fenster investieren möchte, für den spielt neben Kriterien wie Einbruchschutz auch die Energieeffizienz oft eine wichtige Rolle. Kenngröße ist hier der sog. U-Wert. Als Wärmedurchgangskoeffizient beschreibt der U-Wert, welche Wärmeleistung in Watt pro Quadratmeter Bauteilfläche und Grad Temperaturunterschied zwischen innen und außen verlorengeht (Wärmedurchlässigkeit). Je geringer der Wert, desto weniger Wärme gelangt über das Fenster nach draußen und desto weniger Heizenergie ist im Winter erforderlich . In den vergangenen Jahren hat sich für das Ringen von Systemgebern, Fensterbauern und Glasherstellern, die Wärmedurchgangskoeffizienten ihrer Bauteile – vom Fensterprofil bis zum Glas – um jedes noch so kleinste Zehntel zu optimieren, der Begriff U-Wert-Olympiade etabliert. Auch die EnEV-Vorgaben und Förderbedingungen der staatlichen KfW-Bank haben die U-Werte kontinuierlich nach unten getrieben. Welche KfW-Programme es gibt, lesen Sie in unserem Übersichtsartikel.

Wechselwirkung von U-Wert und g-Wert

Hat der Kunde die Wahl, entscheidet er sich vermutlich für das Fenster mit einem U-Wert von 1,0 W/m2K – und nicht für das Element mit einem Wert von 1,3 W/m2K. Der kompetente Fachbetrieb sollte ihn in der Beratung allerdings auf einen Aspekt aufmerksam machen, der oft außer Acht gelassen wird: Durch das Fenster als transparentes Bauteil verliert der Nutzer nicht nur Energie, er gewinnt sie auch durch solare Wärmeeinträge. In die Energiebilanz eines Fensters fließen also sowohl die Wärmeverluste als auch die solaren Einträge ein. Heißt: Während der U-Wert für opake Bauelemente wie das Mauerwerk aussagekräftig ist, greift die alleinige Bewertung des Fensters anhand der Wärmedurchlässigkeit zu kurz. "Man muss vorsichtig sein, die energetische Qualität von Fenstern nur anhand des U-Werts zu bewerten", sagt Dipl.-Ing. Stephan Schlitzberger (Ingenieurbüro Prof. Dr. Hauser). "Bei transparenten Bauteilen macht die Wechselwirkung von U-Wert und g-Wert die energetische Qualität aus."

Der g-Wert (Gesamtenergiedurchlassgrad) beschreibt bei transparenten Bauteilen als Dezimalwert, wie viel Wärme in den Raum gelangt (bei 0,6 beispielsweise 60 Prozent der auf die Scheibe auftreffenden Energie). Je kleiner der Kennwert, desto weniger Sonnenenergie heizt den Raum auf. Im Sommer spart der Nutzer so Energie für die Kühlung ein – außen liegender Sonnenschutz wie ein Rollladen verstärkt diese Wirkung übrigens immens – bei einer Scheibe mit einem g-Wert von 0,6 lässt sich der Wärmeeintrag bei geschlossenem Behang beispielsweise auf sechs Prozent reduzieren. Ein höherer Wert sorgt indes im Winter dafür, dass tagsüber mehr Sonnenenergie in den Raum kommt. Ein geschlossener Rollladen nachts – in Kombination mit der Wärmedämmung der Scheibe – sorgt dann dafür, dass es die Wärme nicht so schnell verlorengeht. So lässt sich Heizenergie sparen.

Energetische Gleichwertigkeit

Durch die Wechselwirkung von U-Wert und g-Wert ergibt sich eine energetische Gleichwertigkeit verschiedener Elemente, wie Schlitzberger erläutert. So liefere ein Fenster mit einem U-Wert von 1,3 W/m2K und einem g-Wert von 0,6 die gleiche Performance wie ein Fenster mit U = 1,0 W/m2K und g = 0,48. Fachbetriebe sollten ihre Kunden auf den Zusammenhang hinweisen und so Kompetenz zeigen. "Der Kunde, der im Baumarkt steht, weiß nicht, dass für den Schritt von 1,3 auf 1,0 W/m2K eine weitere Scheibe im Isolierglas notwendig ist und dadurch auch der g-Wert sinkt", sagt Schlitzberger. Anhand der Werte-Kombination lässt sich auch ablesen, wie viel Heizenergie der Nutzer spart: Er spart immer dann, wenn bei gleichem U-Wert der g-Wert höher ist bzw. wenn bei gleichem g-Wert der U-Wert niedriger ist.

Zweifach-Isolierglas reicht: Es muss nicht Dreifach-Isolierglas sein

Dass im Rahmen der U-Wert-Olympiade einseitige Optimierungen dominieren und die notwendige Gesamtbetrachtung auf der Strecke bleibt, hatte GFF schon im Jahr 2010 berichtet. Reiner Oberacker, damals technischer Berater des Fachverbands GFF Baden-Württemberg, hatte die Problematik am Beispiel des Fenster-U-Werts mit und ohne den energetischen Zugewinn, gekennzeichnet durch den g-Wert, beleuchtet (den Original-Beitrag finden Sie oben rechts zum Download). Wir blicken zurück:

Statistische und äquivalente U-Werte für verschiedene Verglasungsausführungen

Tabelle 1 zeigt die Erkenntnis, die auch aus dem Beispiel von Schlitzberger hervorgeht: Zweifach-Iso kann bei entsprechenden U-Werten und g-Werten dem Dreifach-Iso energetisch gleichwertig sein. So ist etwa das Standard-Zweifachisolierglas mit einem Ug-Wert von 1,1 W/m2K und einem g-Wert von 63 Prozent dem Standard-Dreifachwärmedämmglas mit Ug = 0,7 W/m2K und g = 51 Prozent in der Südorientierung praktisch ebenbürtig, was die energetische Gesamtwirkung anbelangt. Mit den Werten aus der WSVO 1995 (Wärmeschutzverordnung, Vorläufer der heutigen EnEV – Energieeinsparverordnung), die eine Formel für die Berechnung des sog. äquivalenten Wärmedurchgangskoeffizienten beinhaltete, ergeben sich beim preiswerteren und leichteren Zweifach-Isolierglas fast die gleichen Uw,eq-Werte wie beim Dreifach-Isolierglas.

Auch bei den übrigen Orientierungen liegt das nominell um 0,4 W/m2K bessere Dreifachwärmedämmglas nur unwesentlich vor der 1,1er-Scheibe. Erst wenn das Dreifachwärmedämmglas eine Beschichtung mit einem g-Wert von um die 60 Prozent erhält, zeigt sich im Vergleich ein merklicher Effekt beim Bilanz-U-Wert. Allerdings muss man auf die mit dem geringsten energetischen Zugewinn ausgestattete Nordseite gehen, um die 0,4 W/m2K-Differenz beim Uw-Wert annähernd auch beim Uw,eq-Wert wiederzufinden.

Äquivalenter Wärmedurchgangskoeffizient: Der Bilanz-U-Wert

Der äquivalente Wärmedurchgangskoeffizient berücksichtigt im Gegensatz zur Wärmedurchlässigkeit (heute U-Wert; in der WSVO war noch von k-Wert die Rede) auch die solaren Wärmegewinne. Die Berechnung erfolgt laut WSVO, indem von der Verlustgröße Wärmedurchgangskoeffizient ein Strahlungsgewinn abgezogen wurde, der sich aus dem g-Wert und einem von der Himmelsrichtung abhängigen Strahlungskoeffizienten SF errechnet. Weil dabei Verluste und Gewinne gegeneinander aufgerechnet werden, spricht man auch vom Bilanz-U-Wert. Tabelle 1 bezieht diese Betrachtung auf die Verhältnisse, wie sie im Jahr 2010 herrschten: Dazu sind gängigen Glas- und Fensterwerten neben dem statischen Uw-Wert auch der Bilanz-U-Wert zugeordnet. Die Wärmeschutzverordnung 1995 ging von Strahlungsgewinnkoeffizienten SF mit 2,40 W/m2K für die Südorientierung, von 1,65 W/m2K für Ost- und West- sowie 0,95 W/m2K für Nordorientierung und damit relativ hohen Werten aus. In der DIN V 4108-6:2003-06 sind die Werte mit 2,10 W/m2K für Süd-, 1,2 W/m2K für Ost- und West- sowie 0,8 W/m2K für die Nordorientierung etwas vorsichtiger gewählt. Auch für diese Werte ist in Tabelle 1 der Bilanz-U-Wert aufgeführt, die Grundtendenz bleibt die gleiche.

Lichtdurchlässigkeit von Fenstern

Da laut EnEV – damals wie heute – in Nichtwohngebäuden die Beleuchtungsenergie in die Gesamtbetrachtung einzubeziehen ist, sollten Verarbeiter auch dem Lichttransmissionsgrad TL erhöhte Aufmerksamkeit schenken. Der Begriff der Lichtdurchlässigkeit bzw. Lichttransmission bezieht sich auf den sichtbaren Spektralbereich von 380 bis 780 Nanometer. Die Angabe erfolgt in Prozent, Bezugsgröße ist eine Transmission von 100 Prozent bei einer unverglasten Mauerwerksöffnung. Laut Tabelle 1 liegen die Dreifachverglasungen bei der Lichtdurchlässigkeit knapp über 70 Prozent liegen, während die Ug = 1,1-Schicht mit 80 Prozent einen Wert erreicht, der nur noch vernachlässigbar unter dem von unbeschichtetem Zweifachisolierglas liegt – das war der Stand im Veröffentlichungsjahr von Reiner Oberackers Beitrag im Jahr 2010. Neben der Lichtdurchlässigkeit gibt es auch noch Kriterien wie Außenreflexion und Farbwiedergabe, die ebenfalls von der Glasbeschichtung abhängig sind.

2010 riet GFF den Fachbetrieben dringend, im Beratungsgespräch und als "Zulageposition" auf die Möglichkeit von Dreifachwärmedämmglas mit hohem g-Wert hinzuweisen. An die Isolierglashersteller appellierte Oberacker, die "doch überdeutliche und nicht nachvollziehbare Preiskluft" bei Zweifachisolierglas mit einem g-Wert von 50 oder 60 Prozent zu verringern. "Es wäre äußerst schade, wenn durch eine falsche Preispolitik die Marktdurchdringung mit möglichen exzellenten technischen Werten verhindert oder auch nur erschwert wird. Es darf im Markt gar nicht erst die Meinung aufkommen, man könne g-Werte von um die 60 Prozent vergessen, weil die Mehrkosten in keinem Verhältnis zum wirtschaftlichen Nutzen stehen."

Wichtige Begriffe

  • g-Wert: Gesamtenergiedurchlassgrad einer Verglasung
  • TL- oder Τau-Wert: Lichtdurchlässigkeit einer Verglasung im Bereich des sichtbaren Lichts (380 bis 780 Nanometer)
  • Ug: Wärmedurchgangskoeffizient der Verglasung (g = glazing) im ungestörten Scheiben-Mittenbereich gemäß der Berechnungs-/Prüfnorm DIN EN 673
  • Uf: Wärmedurchgangskoeffizient des Fensterrahmensystems (f = frame)
  • Uw: Wärmedurchgangskoeffizient des kompletten Fensters (w = window)
  • Uw,eq: äquivalenter Wärmedurchgangskoeffizient (Bilanz-U-Wert) des kompletten Fensters; Uw,eq = Uw – g ⋅ SF in W/m²
  • SF: von der Himmelsrichtung (Orientierung) abhängiger Strahlungsgewinnkoeffizient in W/m²K
  • WSVO: Wärmeschutzverordnung
  • EnEV: Energieeinsparverordnung

Wie setzt sich der U-Wert zusammen?

Wie erwähnt, beschreiben U-Werte als Verlustgrößen, wie viel Wärme durch ein Bauteil nach außen abgegeben wird. Die Einheit des U-Werts ist W/m²K (Watt pro Quadratmeter und Kelvin). So benötigt zum Beispiel ein Holzfenster mit einem unbeschichteten Zweifachisolierglas bei einem Uw-Wert von 2,8 W/m2K je nach Einbauort bzw. dessen Gradtagzahl – in der die winterlichen Temperaturen und die Länge der Heizperiode eine Rolle spielen – zirka 31 Liter Heizöl pro Jahr und Quadratmeter Fensterfläche. Ein Fenster mit Uw = 1,20 W/m2K mit zirka 13 Liter pro Jahr und Quadratmeter verbraucht nur noch einen Bruchteil davon und produziert zirka 58 Prozent weniger Wärmeverlust.

Der statische Uw-Wert hängt ab von den Eingangsgrößen U-Wert des Rahmens Uf, dem U-Wert der Scheibe Ug, den Flächenanteilen dieser Komponenten und dem Einfluss des Isolierglasanbindungssystems, gekennzeichnet durch den linearen Wärmebrückenkoeffizienten in W/mK, dessen Länge sowie der gesamten Fensterfläche. Der realistischere äquivalente Uw-Wert, der den allein bei transparenten Bauteilen gegebenen Energiezugewinn von außen nach innen berücksichtigt, bilanziert Wärmeverluste und Wärmegewinne. Die entscheidende Größe dafür ist der g-Wert der Verglasung. Dieser hängt stark von der Art der Glasbeschichtung und geringfügig auch von der Glasdicke ab. Beschichtungen auf Glas werden seit den 70er-Jahren zunehmend zur Verbesserung der Wärmedämmung von Isoliergläsern eingesetzt. Etwa seit Mitte der 80er-Jahre sprechen Fachleute von "neutralen Beschichtungen", weil sie dem Auge kaum auffallen. Der besondere Clou dieser Glasbeschichtungen ist jedoch ihre selektive Durchlässigkeit. Hinter dieser Eigenschaft verbirgt sich ein sehr großes Spektrum an Sonnenstrahlung, die in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen zu sehr unterschiedlichen Anteilen hindurchgelassen wird.

Sommerlicher Wärmeschutz gegen Überhitzung

Zu den wichtigsten Strahlungseigenschaften zählt der g-Wert, der als Gesamtenergiedurchlassgrad den Anteil der ins Rauminnere gelangenden Energie über den gesamten Wellenlängen-Bereich des Sonnenspektrums angibt. Der TL-Wert wiederum gibt die Lichtdurchlässigkeit an, also den durch eine Verglasung hindurchgehenden Anteil des sichtbaren Sonnenlichts. Die Strahlen bewegen sich im Wellenlängenbereich zwischen 380 und 780 Nanometer. Insgesamt sind Beschichtungen für Wärme- und für Sonnenschutz unterschiedlich optimiert. Beide Schichtsysteme haben eine vergleichsweise hohe Durchlässigkeit für kurzwellige Strahlen, also einen Großteil der Sonnenstrahlung, aber eine geringe Durchlässigkeit für langwellige Wärmestrahlung.

Gerade darin besteht ein wesentlicher Teil des Treibhauseffekts: Die eher kurzwelligen Sonnenstrahlen wandeln sich nach Durchgang durch Verglasungen beim Auftreffen auf bevorzugt dunkle Gegenstände in langwellige Wärmestrahlung um, für die die Schichten eine sehr geringe Durchlässigkeit aufweisen. Die Wärme wird so zusammen mit der ebenfalls langwelligen Wärme von Heizsystemen im Raum gehalten. Bei großflächigen Verglasungen besteht dadurch aber die Gefahr einer Überhitzung der dahinter angeordneten Räume, weshalb die EnEV Anforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz stellt.

Fazit: Nicht nur U-Wert als Kenngröße beachten

Der g-Wert von Verglasungen kann sehr unterschiedlich ausfallen. Das Fazit von Oberacker überrascht daher nicht und folgt im Kern den o.g. Ausführungen von Schlitzberger: Fensterbauer bzw. Endkunden sollten nicht allein auf den Ug-Wert und damit auch auf den Uw-Wert schauen, sondern auch die beiden anderen Größen (g-Wert und Lichtdurchlässigkeit) im Auge behalten. So lässt sich – durch Berücksichtigung des Energiezugewinns bei transparenten Bauteilen – eine bessere und richtigere Beurteilung von Glas, Fenstern und Vorhangfassaden erreichen.

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