Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (FH)
Fachbereich Bauwesen
Studiengang Bauingenieurwesen
Studienrichtung Konstruktiver Ingenieurbau

Magisterarbeit

Interdisziplinäres Planen im Neubau und Bestand

von

Henry Schäfer

Leipzig, März 2004

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ... 1

2 Grundlagen ... 3
2.1 Ökologische und ökonomische Notwendigkeit des Energiesparens ... 3
2.1.1 Energieverbrauch und Ressourcen ... 3
2.1.2 Der Treibhauseffekt ... 6
2.1.3 Reduzierung der CO -Emissionen ... 9
2.2 Wärmeschutz von Gebäuden ... 11
2.2.1 Begriffe und Definitionen ... 12
2.2.1.1 Kenngrößen zur Berechnung der bauphysikalischen Eigenschaften von Bauteilen ... 12
2.2.1.2 Wärmetransport ... 14
2.2.1.3 Wärmebrücken ... 15
2.2.1.4 Wärmegewinne ... 19
2.2.1.5 Wärmeverluste ... 21
2.2.1.6 Luftdichtheit ... 23
2.2.1.7 Energiekennwerte ... 24
2.2.1.8 Bauteilkenngrößen stationärer und instationärer Wärmebewegungen ... 25
2.2.2 Aktuelle Vorschriften zum Wärmeschutz von Gebäuden ... 27
2.2.2.1 Energieeinsparverordnung (EnEV) ... 27
2.2.2.2 DIN 4108 ... 29
2.2.3 Gebäudestandards mit niedrigem Heizwärmebedarf ... 31
2.2.3.1 Das Niedrigenergiehaus (NEH) ... 32
2.2.3.2 Das 3-Liter-Haus ... 33
2.2.3.3 Das Passivhaus ... 34
2.2.3.4 Das Plusenergiehaus ... 35
2.2.3.5 Tabellarische Übersicht der Kennwerte der Gebäudestandards ... 36
2.3 Wärmeabhängiger Feuchteschutz von Gebäuden ... 36
2.3.1 Begriffe und Definitionen ... 36
2.3.1.1 Luftfeuchte ... 37
2.3.1.2 Wasserdampfdiffussion ... 38
2.3.1.3 Tauwasserbildung ... 38
2.3.1.4 Kapillare Wasseraufnahme ... 39
2.3.1.5 Tauwasserfreiheit ... 39
2.3.2 Aktuelle Vorschrift zum bauphysikalischen Feuchteschutz - DIN 4108-3 ... 40
2.4 Der Baustoff Holz ... 41
2.4.1 Eigenschaften ... 41
2.4.2 Vorteile ... 43
2.4.3 Holzschutz ... 44
2.4.4 Holzbauweisen ... 45
2.4.4.1 Der Blockbau ... 45
2.4.4.2 Der Fachwerkbau ... 46
2.4.4.3 Die Skelettbauweise ... 47
2.4.4.4 Der Holzrahmenbau ... 47
2.4.4.5 Holztafelbau ... 48
2.4.4.6 Mischbauweisen ... 49
2.4.4.7 Zusammenfassung ... 50
2.5 Die Passivhausbauweise ... 50
2.5.1 Definition ... 50
2.5.2 Verschiedene Passivhausbauweisen ... 51
2.5.2.1 Massivbau ... 51
2.5.2.2 Holzbau ... 53
2.5.3 System Naumann und Stahr ... 55
2.6 Statische Nachweise nach Grenzzuständen ... 57
2.6.1 Erläuterungen zum semiprobabilistischen Bemessungskonzept ... 57
2.6.2 Erläuterungen zur Bemessung nach E DIN 1052:2000-05 ... 58
2.6.2.1 Einwirkungen ... 58
2.6.2.2 Tragwiderstand ... 59
2.6.2.3 Grenzzustände der Tragfähigkeit ... 59
2.6.2.4 Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit ... 61
2.6.2.5 Nutzungsklassen ... 62
2.6.2.6 Klassen der Lasteinwirkungsdauer ... 63
2.6.3 Erläuterungen zur DIN 1045:2001-07 ... 65
2.6.3.1 Bemessungswert des Tragwiderstandes ... 65
2.6.3.2 Grenzzustände der Tragfähigkeit ... 66
2.6.3.3 Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit ... 67

3 Altbausanierung ... 69
3.1 Istanalyse Altbaubestand ... 69
3.1.1 Wärme- und Feuchteschutz ... 69
3.1.2 Schallschutz ... 71
3.1.3 Brandschutz ... 73
3.1.4 Statik ... 74
3.1.5 Zusammenfassung (Problembenennung) ... 76
3.2 Zielstellung ... 77
3.2.1 Wärme- und Feuchteschutz ... 77
3.2.2 Schallschutz ... 79
3.2.3 Brandschutz ... 80
3.2.4 Statik ... 81
3.2.5 Haustechnik ... 82
3.3 Lösungsansätze ... 84
3.3.1 Wärmeschutz unter Beachtung des Feuchteschutzes ... 84
3.3.1.1 Dach ... 84
3.3.1.2 Wände ... 89
3.3.1.3 Fenster ... 94
3.3.1.4 Decken ... 95
3.3.1.4.1 Decke gegen unbeheizte Dachgeschosse ... 95
3.3.1.4.2 Kellerdecken ... 98
3.3.1.4.3 Fußböden gegen Erdreich ... 100
3.3.1.5 Haustüren ... 101
3.3.1.6 Reduzierung von Wärmebrücken ... 101
3.3.2 Schallschutz ... 102
3.3.2.1 Dach ... 104
3.3.2.2 Außenwände ... 105
3.3.2.3 Wohnungstrennwände ... 110
3.3.2.4 Fenster ... 111
3.3.2.5 Decken ... 114
3.3.2.5.1 Massivdecken ... 114
3.3.2.5.2 Holzbalkendecken ... 117
3.3.2.6 Treppen .. 122
3.3.2.7 Türen ... 123
3.3.3 Brandschutz ... 124
3.3.4 Statik ... 141

4 Stahlbetongebäude aus 3-Schicht-Platten ... 160
4.1 System 3-Schicht-Platte ... 162
4.2 Istanalyse ... 162
4.2.1 Wärme- und Feuchteschutz ... 162
4.2.2 Schallschutz ... 164
4.2.3 Brandschutz ... 165
4.2.4 Statik ... 166
4.2.5 Zusammenfassung ... 169
4.3 Zielstellung ... 170
4.4 Lösungsansätze ... 170
4.4.1 Wärmeschutz unter Beachtung des Feuchteschutzes ... 170
4.4.2 Schallschutz ... 178
4.4.3 Brandschutz ... 180
4.4.4 Statik ... 183

5 Neuentwicklungen von Passivhauskomponenten ... 184
5.1 Weiterentwicklung eines Passivhaus- bzw. Nullheizenergiehaus tauglichen Kastenfensters ... 184
5.1.1 Passivhausgeeignete Fenster ... 184
5.1.2 Weiterentwicklung des Kastenfensters von Naumann & Stahr ... 186
5.2 Entwicklung einer Solarfassade ... 200

6 Weiterentwicklung des Passivhauses zum Nullheizenergiehaus ... 206

7 Projektbeispiel Arnoldstraße 26 ... 211
7.1. Analyse des Gebäudebestandes ... 211
7.1.1 Bauzustandsbericht ... 211
7.1.2 Haustechnische Ausstattung ... 213
7.1.3 Problemstellung ... 214
7.2 Darstellungen und Berechnungen zum Wärmeschutz des bestehenden Gebäudes ... 216
7.2.1 Beschreibung und Berechnung bauphysikalischer Kennwerte der Hüllbauteile ... 216
7.2.2 Berechnung des Jahresheizwärmebedarfs ... 241
7.2.3 Einstufung des Wärmeschutzes nach Energiekennzahl für das bestehende Gebäude ... 247
7.2.4 Berechnung ausgewählter Wärmebrücken ... 253
7.3 Beschreibung und Berechnung der verbesserten Hüllbauteile mit Nachweis der Tauwasserfreiheit ... 278
7.3.1 Dach ... 278
7.3.2 Außenwände ... 280
7.3.3 Fenster ... 289
7.3.4 Kellerdecke ... 290
7.4 Nachweis des erreichten Passivhausstandards ... 292
7.5 Brandschutz ... 293
7.5.1 Brandschutznachweis der Bauteile des Anbaues ... 294
7.5.2 Brandschutznachweis der Bauteile des Bestandsgebäudes ... 300
7.5.3 Weitere Anforderungen zum baurechtlichen Brandschutz ... 307
7.6 Schallschutznachweise ... 310
7.6.1 Nachweise der Bauteile des Anbaues ... 311
7.6.2 Nachweise der Bauteile des Bestandsgebäudes ... 315
7.7. Statische Nachweise ... 324
7.7.1 Lastannahmen ... 325
7.7.2 Zulässige Schnittgrößen der Tragprofile ... 344
7.7.3 Dachdecke Anbau ... 353
7.7.4 Geschossdecke Anbau ... 372
7.7.5 Holzbalkendecke Bestandsgebäude ... 377
7.7.6 Kellerdecke Bestandsgebäude ... 394
7.7.7 Bodenplatte Anbau ... 396
7.7.8 Außenwände Anbau ... 403
7.7.9 Bundwände des Bestandsgebäudes ... 427
7.8 Ökologische Bewertung der Baustoffe ... 428
7.9 Haustechnikkonzept ... 435
7.9.1 Heizwärmeversorgung ... 436
7.9.2 Warmwasserversorgung ... 437
7.9.3 Lüftung ... 439

Literaturverzeichnis ... 443

Softwareverzeichnis ... 451
Abbildungsverzeichnis ... 452
Tabellenverzeichnis ... 459

1 Einleitung
Ein bisher bei der Planung von Gebäuden im Neubau und Bestand etwas vernachlässigter Aspekt gewinnt immer mehr an Bedeutung: Die Berücksichtigung des Energieverbrauches während der Herstellung und vor allem während der Nutzung des Gebäudes. Den größten Energiebedarf bei einem Gebäude verursacht derzeit die Heizenergiebereitstellung, die Strom- und Warmwasserbereitung folgen.

Bei neueren Wohngebäuden wird durch die geltende Energieeinsparverordnung der Heizenergiebedarf bereits drastisch gesenkt, technisch sind im Neubau mittlerweile Gebäude ohne Heizwärmebedarf herstellbar.

Der Neubau stellt aber nur einen geringen Bestandteil der in Deutschland befindlichen Gebäude dar. Eine Analyse des Gebäudebestandes im Jahr 2000 führte zu folgender zeitlicher Aufteilung:

• 11% der Gebäude in Deutschland sind jünger als 13 Jahre
• 11% der Wohnungen wurden von 1979-87 gebaut
• 78 % der Gebäude wurden vor 1979 errichtet

In Deutschland sind über 2/3 aller Wohnungen Altbauwohnungen. Man kann sich schon anhand der zu den entsprechenden Zeitabschnitten gültigen Energiesparverordnungen und sonstiger gesetzlicher Regelungen ausrechnen, welchen Energieverbrauch und welche Betriebskosten diese Gebäude haben.

Dies zeigt die Notwendigkeit vor allem bei älteren Gebäuden Maßnahmen zur Energieeinsparung zu ergreifen. Eine Sanierung sollte aber die vorhandene Bauweise berücksichtigen, um Bauschäden sicher zu vermeiden. Die entstehenden Investitionskosten sollen sich durch einen geringeren Verbrauch an Heizenergie amortisieren und nicht wegen Abschreibemodellen und Steuervergünstigungen auf sich genommen werden.

Wie schon erwähnt, beim Gebäudebestand handelt es sich, betrachtet man die heutigen technischen Möglichkeiten, um energetische Museen (Altbau 150-220 kWh/m a, da- 2 gegen Passivhausneubau 15 kWh/m a). Das bedeutet aber nicht, dass dieser Altbau- 2 bestand wertlos ist. Die gigantische graue Energie und die Bauleistungen unserer Eltern und Großeltern müssen wir nutzen.

Dabei sollten wir aber nicht deren Baufehler archivieren und erhalten. Die Vorteile der Altbausubstanz liegen in der sehr großen Energiespeichermasse des Gebäudes, die richtig genutzt werden muß. Ebenfalls kann der Baukörper als Rohbau genutzt werden, damit er nicht erneut errichtet werden muß. Dies würde wiederum Herstellungsenergie für Baustoffe und vor allem Transportaufwand bedeuten, denn auch der Abbruch müßte erst transportiert werden.

In der vorliegenden Magisterarbeit wird die Sanierung eines unter Denkmalschutz stehenden Gründerzeithauses zum Passivhaushaus planerisch vorgearbeitet und durch Entwicklungen im Neubau von Passiv- bzw. Nullheizenergiehäusern ergänzt. Die Ausarbeitung erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Ingenieurbüro Naumann & Stahr aus Leipzig, das jahrelange Erfahrungen in der Planung von Passivhäusern aufweist.

Die Komplexität in der Planung von Passivhäusern in der Altbausanierung umschreibt Herr Naumann so: “Die bisherige Umsetzung des Passivhausstandards bei der Altbausanierung unter Denkmalschutzbedingungen in Deutschland kann man wahrscheinlich an einer Hand abzählen. Es ist mit Sicherheit eine der schwierigsten und anspruchvollsten Aufgaben, die man sich vorstellen kann. Zum einen soll der Denkmalcharakter erhalten bleiben, zum anderen sollen die Gebäude den heutigen Anforderungen der Bauphysik, der Energieeinsparung und damit geringen Betriebskosten entsprechen. Dabei geht es aber vor allem um die Schaffung einer wesentlich verbesserten Wohnqualität in Verbindung mit gleichzeitiger Qualifizierung aller Umweltschutzdaten. Dabei spielt ein hochwertiger Schallschutz genauso eine Rolle, wie der Primärenergieeinsatz bei der Herstellung der Baustoffe. Das Ganze ist eine interdisziplinäre Aufgabe an der alle Beteiligten gleichberechtigt arbeiten müssen, um das angestrebte Ergebnis zu erreichen.”

Das interdisziplinäre Planen umfasst vor allem die Bereiche Wärme-, Brand- und Schallschutz im Zusammenspiel mit Statik und Befestigungstechnik bis zum konstruktiven Holzschutz. Eine Betrachtung der Sanierungs-, Wartungs- und Energiekosten am konkreten Projekt zeigen die sinnvolle Umsetzung des Projektes, bei der die Umwelt in Zukunft entlastet und die Mieter außerdem zu günstigeren Konditionen ein besseres Wohnklima erleben.

2 Grundlagen
2.1 Ökologische und ökonomische Notwendigkeit des Energiesparens
2.1.1 Energieverbrauch und Ressourcen
Der Energieverbrauch steigt weltweit trotz aller Bemühungen zur Energieeinsparung weiter an, Ursachen sind die nahezu unverändert hohen Energieverbräuche in den Industriestaaten als auch der zunehmende Energiebedarf in den Entwicklungsländern. Der Primärenergiebedarf der Welt setzte sich Anfang der 90-er Jahre wie folgt zusammen:

Nordamerika: Asien: Europa ohne Deutschland:   Deutschland: GUS: Südamerika: Afrika: Ozeanien:

29% 26 % 16 % 4 % 16 % 4 % 4 % 1 %

Es wird deutlich, dass etwa 3/4 des Weltprimärenergiebedarfs von den Industrienationen in Asien, Europa und Nordamerika verbraucht werden, diese Staaten stellen aber nur rund 1/4 der Weltbevölkerung. Der Verbrauch an Primärenergie betrug 1999 ca. 12,2 Milliarden Tonnen Steinkohleneinheiten (Mrd. t SKE), noch 1983 betrug er lediglich ca. 7,7 Mrd. t SKE.

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