In-Situ-U-Wert-Messungen

Warum in-Situ-Messungen?

Da moderne Isolierverglasungen im Scheibenzwischenraum häufig ein Luftvakuum aufweisen oder mit einer Edelgas-Mischung befüllt sind, kann es bei Leckagen im Scheibenzwischenraum zu einer Verschlechterung des Wärmedurchlasswiderstands der Verglasung kommen. Dieser ist im eingebauten Zustand (in-Situ) bereits messbar, ohne dass es zu augenscheinlichen Indikatoren wie Erblinden der Verglasung kommt.

Es muss betont werden, dass es sich hierbei um eine qualitative Aussage handelt, da für vor-Ort-Messungen kein genormtes Messverfahren existiert. Dennoch liefert eine vor-Ort-Messung über mehrere Tage mit quasi stationären Verhältnissen in den Nachtstunden zumindest einen Anhaltswert.

Es liegen gute Erfahrungen von mehreren vor-Ort-Messungen des U-Werts (Vergleichsmessungen) vor, die im Nachgang durch Labormessungen des Instituts für Fenstertechnik (i.f.t.)  in Rosenheim mit hoher Genauigkeit bestätigt wurden. Die Abweichungen Labor zu „vor-Ort-Messung“ blieben stets in der Größenordnung von etwa 5 %. Dies kann als ausreichend genau angesehen werden, um aus vor-Ort ermittelten U-Werten Rückschlüsse auf die Herstellerangaben zu ziehen.

Bei einem Vergleich der gemessenen Werte, darf jedoch nicht vergessen werden, dass sich die Hersteller-Angaben zu U-Werten der Verglasungen immer auf Labormessungen genormte Probengrößen und Umgebungsbedingungen beziehen, d.h.:

  • i.d.R. 2 Proben
  • Quadratische Prüf-Verglasungsgrößen mit Abmessungen von vorzugsweise 750 mm × 750 mm bis 850 mm × 850 mm. Proben mit einer Größe von bis zu 450 mm × 450 mm dürfen verwendet werden, wenn nachgewiesen werden kann, dass im Gasraum keine Konvektion auftritt und dass die auftretenden Fehler nicht größer als die für die Anordnung 800 mm × 800 mm sind.
  • Messungen mit in senkrechter Lage angeordneten Proben zum Zweck des Vergleichs von Produkten
  • Mittlere Temperaturdifferenz zwischen der warmen und der kalten Oberfläche jeder Probe muss (15 ± 0,5) K betragen.

Bei größeren Abweichungen von o.g. Abmessungen ändert sich das Verhältnis zwischen Verglasungs- und Rahmenanteil und damit auch der resultierende Uw-Wert für das gesamte Fenster.
Für die Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) von Mehrfachverglasungen gibt es derzeit (Stand 04/2016) zwei Verfahren
a) rechnerisch nach DIN EN 673 (2011-04) im mittleren Bereich einer Verglasung
oder
b) messtechnisch am Zweiplattenprüfgerät nach DIN EN 674:2011-09.

In-Situ kann der U-Wert für die Verglasung und den Rahmen messtechnisch (in Anlehnung an die DIN 674) mittels Wärmestromplatten ermittelt werden. Dabei wird der Wärmestrom gemessen, der im Bereich der Messfläche durch das Bauteil fließt.

Für den Rahmen erfolgt dies (in Anlehnung an DIN 52619 Teil 3) zur Ermittlung der Eingruppierung in eine Rahmenmaterialgruppe nach DIN 4108 Teil 4.

Mit dem gemessenen Wärmestrom und den an den jeweiligen Oberflächen innen und außen anliegenden Temperaturen wird der Wärmedurchlasswiderstand R nach folgender Gleichung aus DIN EN ISO 674 berechnet:

mit

Φ : mittlere Leistung, die dem mittleren Bereich der Heizeinheit zugeführt wird in Watt [W]
T1 : mittlere Temperatur der warmen Seite der Proben, in Kelvin [K]
T2 : mittlere Temperatur der kalten Seite der Proben, in Kelvin [K]
A  : Messfläche der Wärmestromplatte in Quadratmeter [m²]

Der jeweils vom Fensterhersteller angegebene Referenz-U-Wert berechnet sich nach o.g. Gleichung.

Der U-Wert hängt ab vom Wärmedurchlasswiderstand der Mehrfachverglasung und von den Wärmeübergangskoefizienten der äußeren und inneren Oberflächen. Er wird nach folgender Beziehung aus DIN EN ISO 674 ermittelt:

Dabei ist
R: Wärmeduchlasswiderstand der Mehrfachverglasung
he: Wärmeübergangskoeffizient der äußeren Oberfläche [W/(m²K)]
hi: Wärmeübergangskoeffizient der inneren Oberfläche [W/(m²K)]

Für Mehrfachverglasungen werden folgende Werte für die Oberflächen-Wärmeübergangskoeffizienten he und hi verwendet:

Genormte Wärmedurchgangskoeffizienten nach DIN EN 674 und DIN EN 675 (gleichlautend)
Mehrfachverglasungstyp he (außen) hi (innen)
OHNE eine BESCHICHTUNG mit verändertem Emissionsvermögen ε < 0,837
auf den äußeren Flächen der Verglasung (d.h. POS. 1*)
25 W/(m²K); 1/he entspricht dem in der ISO 6946:2008 angegebenen
Rse-Wert von 0,04 m²K/W
7,7 W/(m²K); 1/hi entspricht dem in der ISO 6946:2008 angegebenen Rsi-Wert von 0,13 m²K/W
MIT einer BESCHICHTUNG, die ein Emissionsvermögen ε < 0,837
auf der an den inneren Raum angrenzenden Oberfläche (d.h. Beschichtung auf POS. 4* bei Zweifach-Verglasung bzw. POS. 6* bei Dreifach-Verglasung) aufweist
25 W/(m²K); 1/he entspricht dem in der ISO 6946:2008 angegebenen
Rse-Wert von 0,04 m²K/W


mit
ε: korrigiertes Emissionsvermögen der Oberfläche nach EN 12898
0,837: korrigiertes Emissionsvermögen ε von unbeschichtetem Natron-Kalk-Glas und Borosilicatglas.

Werte für ε< 0,837 brauchen nur dann berücksichtig werden, wenn die Oberfläche sauber ist und eine Kondensation von Wasser auf der beschichteten Oberfläche ausgeschlossen werden kann. Verbesserungen des U-Werts durch äußere beschichtete Flächen mit einem Emissionsvermögen ε unter 0,837 werden nicht berücksichtigt.

Die Anwendung des U-Wertes eines Außenbauteils, der bei genormtem Grenzwert erzielt wird, entspricht bei der Berechnung der Wärmeverluste nicht zuverlässig präzise der empfundenen Temperatur bei trockener Luft in beheizten Innenräumen.

Lt. der o.g. beiden Normen ist dies in den meisten praktischen Anwendungsfällenausreichend; für Verglasungen mit einer relativ großen Oberfläche und besonders bei niedrig abstrahlenden Oberflächen können jedoch Fehler auftreten.

Für diese Fälle siehe:

EN ISO 10077-1, Wärmetechnisches Verhalten von Fenstern, Türen und Abschlüssen — Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten — Teil 1: Allgemeines (ISO 10077-1:2006)

EN ISO 10211, Wärmebrücken im Hochbau — Wärmeströme und Oberflächentemperaturen — Detaillierte Berechnungen (ISO 10211:2007).

*Erläuterung der Positionen-Zählweise bei Mehrfachverglasungen:

Zweifach-Verglasung

Dreifach-Verglasung

   Pos. 1 = Außenseite Außenscheibe

   Pos. 2 = Innenseite Außenscheibe

   Pos. 3 = Außenseite Innenscheibe

   Pos. 4 = Innenseite Innenscheibe

   Pos. 1 = Außenseite Außenscheibe

   Pos. 2 = Innenseite Außenscheibe

   Pos. 3 = Außenseite mittlere Scheibe

   Pos. 4 = Innenseite mittlere Scheibe

   Pos. 5 = Außenseite Innenscheibe

   Pos. 6 = Innenseite Innenscheibe

Bei üblichen Zweifach-Verglasungen als Wärmeschutzverglasung befindet sich die Beschichtung im Regelfall auf Position 3.

Bei üblichen Zweifach-Verglasungen als Sonnenschutzglas befindet sich die Beschichtung im Regelfall auf Position 2.

 

Bild 1 zeigt einen typischen Messaufbau an einem Renovier-Fenster, bei dem der Verdacht bestand, dass die Verglasung defekt ist

Nachstehende Diagramme zeigen exemplarisch den ermittelten U-Wert für Verglasungen, der sich als Plateau-Wert zu nächtlichen Stunden abzeichnet. Entscheidend für aussagekräftige Messungen ist ein hohes Temperaturgefälle zwischen innen und außen.

Diagramm 1 Beispiel eines messtechnisch ermittelten U-Werts einer Verglasung, die den Angaben des Herstellers entsprach.
Diagramm 2 Beispiel eines messtechnisch ermittelten U-Werts einer Verglasung, die nicht den Angaben des Herstellers entsprach und einen defekten Scheibenzwischenraum aufwies.

Folgende Normen und Verfahren zur messtechnischen oder rechnerischen U-Wert-Bestimmung kompletter Fensterelemente oder -Bauteile existieren:

U-Wert-Bestimmungsverfahren für Rahmen alleine:

Norm Bezeichnung Besonderheit lt. Norm
DIN 52619 Teil 3: 1985-02 Bestimmung des Wärmedurchlasswiderstandes und Wärmedurchgangs-koeffizienten von Fenstern - Messung an Rahmen Prüfverfahren nach dieser Norm dient zur Bestimmung des Wärmedurchlasswiderstandes von Rahmen für Fenster, Fensterwände und Fenstertüren. Das Verfahren gilt nicht für einzelne Rahmenprofile, die in der Praxis nur als Kombination eingesetzt werden.
Der errechnete Wärmedurchgangskoeffizient dient ausschließlich zur Einstufung in die Rahmenmaterialgruppe nach DIN 4108 Teil 4.
DIN EN 12412-2:2003-11 Wärmetechnisches Verhalten von Fenstern, Türen und Abschlüssen - Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten mittels des Heizkastenverfahrens Teil 2: Rahmen Diese Norm legt ein Verfahren zur Messung des Wärmedurchgangskoeffizienten von Rahmen und Flügelrahmen von Fenstern und Türen, einschließlich Kämpfer und Pfosten, auf der Grundlage von EN ISO 8990 und EN ISO 12567-1 fest.
Die Wirkung von Wärmebrücken von Fenster- oder Türbeschlägen (Drückern, Bändern, Schließeinrichtungen usw.) wird berücksichtigt.
Bei der Durchführung der Prüfung wird die gesamte abgewickelte Fläche des Schiebeflügels oder Flügelrahmens berücksichtigt, davon ausgeschlossen ist jedoch der Einfluss der Wärmebrücke, die durch die Abstandshalter bei Verbundglaseinheiten gebildet wird.
Die Messungen werden bei definierten Randbedingungen durchgeführt, um den Vergleich von Messwerten zu erleichtern.
Randeinflüsse, die außerhalb des Umfanges des Probekörpers liegen, werden ausgeschlossen.
Ferner sind Energieübertragung infolge Sonnenstrahlung und Luftundichtigkeit nicht Gegenstand dieser Norm.
DIN EN ISO 10077-2:2003-12 Wärmetechnisches Verhalten von Fenstern, Türen und Abschlüssen Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten
Teil 2: Numerisches Verfahren für Rahmen
Legt ein Verfahren und Werkstoffkennwerte für die Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten von Rahmenprofilen und den längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten für Randeinflüsse auf Grund von Glas- oder anderen Füllelementen fest.
Kann zur Bestimmung des Wärmestroms und der Oberflächentemperaturen von Rahmenprofilen verwendet werden.
Liefert Berechnungswerte thermischer Eigenschaften von Rahmenprofilen, die als Eingabedaten für das vereinfachte Berechnungsverfahren des Wärmedurchgangskoeffizienten von Fenstern, Türen und Abschlüssen dienen, das in DIN EN ISO 10077-1 „Vereinfachtes Verfahren“ angegeben ist.
Das Verfahren kann auch zur Bewertung des Wärmedurchlasswiderstandes von Rollladenprofilen und der thermischen Eigenschaften von Rollladenkästen verwendet werden.
Die Norm berücksichtigt Einflüsse der Sonneneinstrahlung und Wärmeübertragung infolge Luftdurchlässigkeit sowie dreidimensionale Wärmeübertragung, wie z. B. punktförmige metallische Verbindungen, nicht.

U-Wert-Bestimmungsverfahren für die Verglasung alleine:

Norm Bezeichnung Besonderheit lt. Norm
DIN EN 673:2011-04 Glas im Bauwesen – Bestimmung des Wärmedurchgangs-koeffizienten (U-Wert) – Berechnungsverfahren Die vorliegenden Europäische Norm gilt für
• unbeschichtetes Glas (einschließlich Glas mit strukturierter Oberfläche, z. B. Ornamentglas),
• beschichtetes Glas und
• für Materialien, die im fernen Infrarotbereich (d. h. in Wellenlängenbereich zwischen 5 μm und 50 μm) undurchlässig sind, z. B. Produkte aus Kalknatronglas, Borosilicatglas und Glaskeramik.
• Sie gilt ebenfalls für Mehrfachverglasungen aus derartigen Gläsern und/oder Materialien.
Für Mehrfachverglasungen mit Schichten oder Folien im Gaszwischenraum, die im fernen Infrarotbereich durchlässig sind, gilt diese Norm nicht.
• Die Randwirkungen infolge der Wärmebrücke durch den Abstandhalter einer hermetisch abgeschlossenen Verglasung oder durch den Fensterrahmen sind nicht berücksichtigt.
• Die Wärmeübertragung durch Sonneneinstrahlung wurde ebenfalls nicht berücksichtigt.
• Die von Sprossen und anderen Leisten/Riegeln ausgehenden Einwirkungen fallen nicht in den Anwendungsbereich dieser Europäischen Norm.
Mit festgelegten Verfahren wird der U-Wert im mittleren Bereich einer Verglasung bestimmt.
Der nach der vorliegenden Norm berechnete U-Wert für Verglasungselemente ist bei der Berechnung des Gesamt-U-Werts von Fernster, Türen und anderen Abschlüssen (siehe EN ISO 10077) zu verwenden.
DIN EN 674:2011-09 Glas im Bauwesen –Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) –Verfahren mit dem Plattengerät Das Dokument für die Berechnung des Gesamt-U-Werts von Fenstern, Türen und Abschlüssen enthält eine normative Verweisung auf den nach dieser Norm berechneten U-Wert für die Verglasungselemente.
Die nach der vorliegenden Norm bestimmten U-Werte werden sowohl für Produktvergleiche als auch zu weiteren Zwecken herangezogen, insbesondere für die Voraussage von:
⎯ Wärmeverlusten durch Verglasungen;
⎯ Erhöhungen der Wärmeleitung im Sommer;
⎯ Tauwasserbildung auf Glasoberflächen;
⎯ Auswirkungen der absorbierten Sonnenstrahlung auf die Bestimmung des Sonnenfaktors.
DIN EN 675:2011 Glas im Bauwesen – Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) –Wärmestrommesser-Verfahren Diese Europäische Norm gilt für Mehrfachverglasungen mit äußeren Scheiben, die für die Strahlung im fernen Infrarotbereich (d. h. in Wellenlängenbereich zwischen 5 μm und 50 μm) undurchlässig sind, z. B. Produkte aus Kalknatronglas, Borosilicatglas und Glaskeramik.
Innere Elemente können jedoch für Strahlung im fernen Infrarotbereich durchlässig sein.

U-Wert-Bestimmungsverfahren für das komplette Fenster:

Norm Bezeichnung Besonderheit lt. Norm
EN ISO 8990:1996-09 Bestimmung der Wärmedurchgangseigenschaften im stationären Zustand-Verfahren mit dem kalibrierten und dem geregelten Heizkasten Legt die Grundlagen für den Aufbau des Gerätes und Mindestanforderungen fest, die für die Bestimmung der stationären Wärmedurchgangseigenschaften von Bauteilen und ähnlichen Ausrüstungen für technische Zwecke im Laboratorium einzuhalten sind.
Legt keinen speziellen Aufbau fest, da die Anforderungen, speziell an die Dimensionierung, zu einem geringeren Teil auch In Bezug auf die Betriebsbedingungen, ausgesprochen verschieden sind.
Beschreibt weiterhin das Gerät, die Messtechnik und die notwendige Datenangabe.
Spezielle Bauteile, zum Beispiel Fenster, erfordern zusätzliche Verfahrensweisen, die nicht in dieser Internationalen Norm enthalten sind.
Weiterhin sind Messungen des Einflusses von Feuchteübertragung oder -umverteilung auf den Wärmestrom nicht enthalten, jedoch Ist bei Aufbau und Betrieb der Einrichtung der mögliche Einfluss der Feuchteübertragung auf die Genauigkeit und die Bedeutung von Prüfergebnissen zu berücksichtigen. Die Eigenschaften, die gemessen werden können, sind der Wärmedurchgangskoeffizient und der Wärmedurchlasswiderstand.
Es werden zwei alternative Verfahren angegeben: das Verfahren mit dem kalibrierten Heizkasten und das Verfahren mit dem geregelten Heizkasten.
Die Verfahren sind hauptsächlich für Labormessungen großer Inhomogener Probekörper geeignet, obwohl selbstverständlich auch homogene Probekörper geprüft werden können, und diese sind für die Kalibrierung und die Validierung notwendig.
Bei der Prüfung homogener Probekörper nach dieser Internationalen Norm hat die Erfahrung gezeigt, dass Im allgemeinen eine Messgenauigkeit von ±5% erreicht werden kann. Jedoch kann die Messgenauigkeit jedes einzelnen Gerätes mit homogenen Referenzprobekörpern, deren Wärmedurchlasskoeffizienten den zu messenden Bereich abdecken, abgeschätzt werden.
DIN EN ISO 12567-1:2010-12 Wärmetechnisches Verhalten von Fenstern und Türen – Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten mittels des Heizkastenverfahrens – Teil 1: Komplette Fenster und Türen Dieser Teil von ISO 12567 legt ein Verfahren zur Messung des Wärmedurchgangskoeffizienten eines Tür- oder Fenstersystems fest basierend auf ISO 8990. Sie erfasst alle Einflüsse von Rahmen, Schiebeflügeln, Fensterläden, Abschlüssen, Abschirmungen, Blenden, Türblättern und Befestigungszubehörteilen.
Sie umfasst nicht:
• Randeinflüsse außerhalb des Umfanges des Probekörpers;
• Energieübertragung infolge Sonneneinstrahlung auf den Probekörper;
• Einflüsse von Luftundichtigkeit durch den Probekörper;
• Dachflächenfenster und auskragende Produkte, bei welchen die Verglasung über die kaltseitige Wandfläche des Prüfrahmens hinausragt.
DIN EN ISO 12567-2:2006-03 Wärmetechnisches Verhalten von Fenstern und Türen – Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten mittels Heizkastenverfahrens –Teil 2: Dachflächenfenster und andere auskragende Fenster Dieser Teil der ISO 12567 legt ein Verfahren zur Messung des Wärmedurchgangskoeffizienten von Dachflächenfenstern und auskragenden Fenstern fest.
Folgendes wird in ihr nicht behandelt:
• Randeinflüsse außerhalb des Umfangs des Probekörpers;
• Energieübertragung durch Sonneneinstrahlung auf den Probekörper;
• Wirkungen durch Luftundichtigkeit des Probekörpers.
Obwohl bekannt ist, dass sich das wärmetechnische Verhalten von Produkten mit der Wärmestromrichtung ändert, gibt es gegenwärtig keine vereinbarten Messverfahren, die für den nicht horizontalen Wärmefluss durch die Probe verwendet werden können. Darüber hinaus gibt es nur einige Heizkästen, die derartige Messungen durchführen können. Aus diesen Gründen ist dieses Messverfahren für senkrecht eingebaute Dachflächenfenster festgelegt, um einen unparteiischen Vergleich von Produkten zu erleichtern.
Es sollte beachtet werden, dass sich bei Messungen an senkrecht eingebauten Probekörpern im Allgemeinen U-Werte ergeben, die unter denen liegen, die in anderen Ausrichtungen und mit aufsteigendem Wärmestrom gemessen werden.
DIN EN ISO 10077-1:2006 Wärmetechnisches Verhalten von Fenstern, Türen und Abschlüssen –Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten –Teil 1: Allgemeines Verfahren zur Ermittlung des Wärmedurchgangskoeffizienten von Fenstern und Türen fest, die aus einer Verglasung und/oder opaken Füllungen in einem Rahmen mit oder ohne Abschlüsse bestehen.
Das Berechnungsverfahren wird zum Vergleich der Wärmedurchgangskoeffizienten von Fenstern und Türen oder als Teil der Beurteilung des Heizwärmeverbrauchs eines Gebäudes angewendet.
Eine Alternative zu diesem Berechnungsverfahren ist die Prüfung des ganzen Fensters oder der ganzen Tür nach ISO 12567-1 bzw. für Dachfenster nach ISO 12567-2.
Berücksichtigt:
• unterschiedliche Verglasungsarten (Glas oder Kunststoff, Einfachverglasung oder Mehrfachverglasungen; mit oder ohne Beschichtungen mit geringem Emissionsgrad; mit Luft- oder anderen Gasfüllungen im Zwischenraum);
• opake Füllungen im Fenster bzw. in der Tür;
• unterschiedliche Rahmenarten (Holz, Kunststoff, Metall mit und ohne Wärmedämmung; Metallrahmen mitmetallischen Verbindungen, wie Stifte usw., oder jede andere Kombination von Werkstoffen);
• sofern anwendbar, den zusätzlichen Wärmedurchlasswiderstand, der durch verschiedene Arten von geschlossenen Abschlüssen in Abhängigkeit von ihrer Luftdurchlässigkeit bewirkt wird.
Der Wärmedurchgangskoeffizient von Dachfenstern und anderen vorstehenden Fenstern kann mit Hilfe dieser Norm berechnet werden, sofern der Wärmedurchgangskoeffizient ihrer Rahmenabschlüsse durch Messungen oder numerische Berechnung bestimmt wird.

Dipl.-Ing. (FH) Oliver Fiegert   (Vers. 1.0)