U-Wert-Rechner für Dämmung und Bauteile

von Marian Behaneck

27.02.2022 | Veröffentlicht in Ausgabe 03-2022 | Druckvorschau

Bild 1 U-Wert-Berechnungssoftware hilft dabei, Bauteile und die Gebäudehülle energetisch und bauphysikalisch zu optimieren.

Software berechnet U- und R-Werte, optimiert Schichtdicken, verwaltet und vergleicht Bauteile, führt Tauwassernachweise und zeigt Energie- und Kosteneinsparpotenziale auf. Wer bietet was?

Kompakt zusammengefasst
■ Bauteil-Rechner berechnen neben U- und R-Werten auch den Tauwasseranfall, den Taupunkt oder Oberflächentemperaturen von Bauteilen und unterstützen Planer bei der bauphysikalischen, energetischen oder wirtschaftlichen Optimierung von Bauteilen.
■ Wärmeverluste oder -gewinne durch Wärmestrahlung bleiben allerdings unberücksichtigt, ebenso wie der kapillare Feuchtetransport.
■ Für komplexere Bauteile, Fenster, Fassaden und Anschlüsse sind spezielle Wärmebrücken-Simulationsprogramme sinnvoller, da sie auch den Wärme- und Feuchtetransport in Bauteilen und Bauteilanschlüssen in zwei- oder dreidimensionaler Richtung präzise und detailliert berechnen.

Der Wärmedurchgangskoeffizient, auch U-Wert (früher k-Wert) genannt, gibt den durch das Temperaturgefälle zwischen warmer und kalter Seite bedingten Wärmestrom durch ein homogenes oder mehrschichtiges Bauteil in der Einheit W/(m² ∙ K) an. Der U-Wert definiert so die Energiemenge pro Zeiteinheit, die durch eine Fläche von 1 m² im stationären, eingeschwungenen Zustand fließt, wenn sich auf beiden Seiten die Lufttemperatur um ein Kelvin unterscheidet.

Bild 2 Mit U-Wert-Rechnern lassen sich Bauteile zusammenstellen, berechnen, nachweisen und optimieren.

Bild 3 Baustoff- und Bauteilkataloge sind ein wichtiges Qualitätskriterium von U-Wert-Software.

Bild 4 Während der Bauteildefinition oder -bearbeitung wird parallel anhand einer Grafik der Bauteilaufbau inklusive aller Materialschichten zwei- oder dreidimensional angezeigt.

Bild 5 Temperatur- und Dampfdruckverläufe werden in Form von Glaserdiagrammen anschaulich dargestellt.

Bild 6 Zu den Ausgabedaten zählen Bauteilvergleiche, teilweise auch die mögliche Energie- und Kosteneinsparung von Bauteilvarianten.

Bild 7 In umfassende Bauphysik-Lösungen integrierte Bauteilrechner nutzen die Berechnungsdaten vielfältig.

Bild 8 Alle Ergebnisse der Wärme- und Feuchteschutzberechnung lassen sich in übersichtlichen Berichten zusammenfassen.

In die Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten geht neben dem Aufbau des Bauteils auch der beidseitige Wärmeübergangswiderstand an die Luft und damit auch die Ausrichtung des Bauteils (waagerechte oder senkrechte Fläche) sowie seine Funktion (grenzt an Außenluft oder Innenraum beheizt oder unbeheizt) ein. Ein berechneter U-Wert ist also nur für die Annahmen der Berechnung charakteristisch: Wand oder Decke, Innenbauteil oder Außenbauteil. Für an das Erdreich grenzende Bauteile gelten weitere Bedingungen.

In diesen Grenzen ist der U-Wert ist ein spezifischer Kennwert zur Beurteilung und zum Vergleich der Wärmedämmfähigkeit von Materialien und konkreten Bauteilen – je niedriger er ist, desto besser ist deren Wärmedämmeigenschaft. Der Kehrwert des Wärmedurchgangskoeffizienten ist der Wärmedurchgangswiderstand R. In den Beschreibungen der Eigenschaften von Dämmmaterialien wird meist der R-Wert in der Einheit (K ∙ m²)/W angegeben. Je höher der R-Wert ist, desto besser ist die Wärmedämmeigenschaft.

Was können U-Wertrechner?

U-Wertrechner enthalten umfangreiche Baustoff-Datensätze sowie beispielhafte Bauteile. Diese sind in logisch strukturierten Katalogen abgelegt und können individuell verwaltet, verändert, neu erstellt und gespeichert werden. Aus den Baustoffen lassen sich über Dialogfenster individuelle Bauteile zusammenstellen, zu Bauteilkombinationen zusammensetzen, speichern und für Folgeprojekte nutzen.

Anhand einer parallel automatisch erstellten zwei- oder dreidimensionalen Grafik wird der Bauteilaufbau inklusive aller Materialschichten übersichtlich angezeigt. Auch die Berechnung von U-Werten, Temperaturen oder des Tauwasser-Anfalls erfolgt parallel, automatisch und komfortabel:

Datenbanken erübrigen die Tabellenrecherche, die parallele Bestimmung macht Taschenrechner überflüssig, Vorgabewerte vereinfachen die Eingabe, Plausibilitätsprüfungen minimieren Fehlerquellen. Alternativen können so rasch überprüft, Schichtdicken optimiert oder Varianten miteinander verglichen werden.

U-Wertberechnungen nach DIN EN ISO 6946 [1], bzw. DIN EN ISO 10 077-1 [4], Bauteilnachweise nach Gebäudeenergiegesetz (GEG) bzw. den Anforderungen der Bundesförderung für Effiziente Gebäude (BEG über KfW und BAFA) oder Tauwassernachweise nach DIN 4108-3 [2] lassen sich so schnell erledigen. Die Wasserdampf-Diffusion, der Tauwasser-Anfall oder der Temperatur-Verlauf werden automatisch berechnet und als Glaserdiagramme grafisch dargestellt. Bauteile lassen sich so an ihren kritischen Stellen überprüfen und optimieren.

Teilweise können U-Wert-Rechner auch das Energieeinsparpotenzial baulicher Maßnahmen sowie die Wirtschaftlichkeit dieser Maßnahmen überschlägig berechnen. Alle Bauteile, Ergebnisse der Wärme- und Feuchteschutzberechnung oder Vergleiche lassen sich ausgeben und zu GEG- oder KfW-Berichten zusammenstellen.

Ist der U-Wert-Rechner mit anderen Programmen des Softwareherstellers datentechnisch verknüpft, lassen sich die Berechnungsergebnisse direkt für die Energieberatung, Heizlast- und Kühllastberechnung, den sommerlichen Wärmeschutz, die thermische Gebäudesimulation und weitere Berechnungen verwenden.

Auf wichtige Details achten

Neben den Funktionen sollte man bei der Auswahl auch den Anbieter berücksichtigen. Anwender, die bereits GEG-, Heiz-/Kühllast oder Gebäudesimulations-Programme eines in der Tabelle gelisteten Anbieters einsetzen, werden wegen der Datendurchgängigkeit sinnvoller Weise auch den U-Wert-Rechner vom gleichen Anbieter wählen.

Anhand der Einsatzbereiche kann man vorab das Nutzungsspektrum der Software einschätzen: Alle Lösungen sind neben der U-Wert-Berechnung, dem Wärme- und Feuchteschutz auch für die Baustoff- und Bauteilverwaltung geeignet und berechnen wärme- und feuchteschutzrelevante Werte nach den Vorgaben einschlägiger, aktuellen Normen und Richtlinien.

Nicht alle Programme können Schichtdicken bei vorgegebenem oder angestrebtem U-Wert optimieren oder für den sommerlichen Wärmeschutz die Temperaturamplitudendämpfung, respektive das Temperaturamplitudenverhältnis (TAV) berechnen.

Einige Programme können auch U-Werte aus Temperatur-Messdaten der Bauteil-Oberflächen innen und außen überschlägig berechnen. Damit kann man Bauteile beispielsweise im Rahmen einer Energieberatung im Bestand beurteilen, ohne dass der Schichtaufbau bekannt ist.

Ein wichtiges Qualitätskriterium von U-Wert-Rechnern sind Baustoff- und Bauproduktkataloge gemäß DIN 4108-4 [3] und DIN EN ISO 10 456 [5]. Sie sollten möglichst umfangreich, übersichtlich strukturiert und komfortabel editierbar sein. Sowohl einfache Bauteile mit Schichtaufbau als auch komplexe, zusammengesetzte homogene oder inhomogene, aktuelle oder historische Bauteile sollten inklusive paralleler Grafik- und Ergebnis-Anzeige definierbar sein.

Berücksichtigt werden sollten auch besondere Schichtarten, wie ruhende, stark oder schwach belüftete Luftschichten, Lufträume, unbeheizte Räume, Dachräume, keilförmige Schichten etc. Hier unterscheiden sich die Programme teilweise erheblich. Das gilt ebenso für Einfach-, Verbund- und Kastenfenster, Türen, Fensterelemente oder Fensterfassaden. Wichtig ist, dass diese Bauteile nach DIN EN ISO 10 077-1 berechnet werden. So kann auch der Einfluss von Fenstergeometrien, Rahmen, Verglasung und Randverbund auf den Gesamt-U-Wert des Fensters, respektive der Fassade untersucht werden.

Was ist noch wichtig?

Auch bei der Bauteilberechnung zeigen sich Unterschiede. Zum Standard gehören U- und R-Werte, die Wasserdampfdiffusion, der Taupunkt und die Oberflächentemperatur für Außen- und Innen-Wände, Flach- und Steildächer, Bodenplatten, Zwischendecken, Fenster und teilweise auch Fassaden.

Zu den Ausgabedaten zählen der Temperaturverlauf, Bauteilnachweise mit Datenprotokoll und Ergebnissen für einzelne, markierte oder alle Bauteile des Projekts nach GEG und BEG, Bauteilvergleiche, teilweise auch die mögliche Energie- und Kosteneinsparung von Bauteilvarianten, deren Amortisation oder Unternehmererklärungen nach BEG bzw. GEG.

Nicht alle Programme berechnen Schichten gemäß DIN EN ISO 6946 und können beispielsweise mehrschichtige inhomogene Bauteile, eine Gefälledämmung, Bauteile zum Erdreich oder zu unbeheizten Räumen berechnen.

Auch der sommerliche Wärmeschutz, die thermisch-dynamische Charakteristik von Baustoffen, respektive die tageszeitliche Temperaturschwankung sowie die Speicherfähigkeit von Baustoffen berücksichtigen nur wenige Programme (z.  B. Dämmerk oder U-Wert-Net).

Ausgegeben werden die Daten meist im DOCX-, XLSX- und PDF-Format. Teilweise lassen sich die Berechnungsergebnisse direkt an GEG- und andere Berechnungsprogramme übergeben. Die Kaufpreise reichen von rund 100 bis 300 Euro (zuzüglich Mehrwertsteuer), je nach Programmumfang, zuzüglich jährlichem Update / Upgrade für rund 50 Euro/a. Bei SaaS-Lösungen sind sowohl Nutzungs- als auch Wartungskosten in den Software-Mietgebühren zwischen 40 und 200 Euro/a enthalten.

Welche U-Wert-Rechner gibt es?

U-Werte berechnen können zwar auch GEG-Programme (Multifunktionswerkzeuge zur Energieoptimierung, TGA 01-2018) oder Berechnungsmodule von TGA-CAD-Programmen (Mit TGA-CAD-Software planen und berechnen, TGA 11-2021). Eigenständige, auf die U-Wert-Berechnung spezialisierte Desktop-Programme oder Web-Anwendungen bieten aber umfangreichere Funktionen – etwa für die Schichtdickenoptimierung, den Bauteilvergleich oder die Energie- und Kosteneinsparung.

Bild 10 Webbasierte U-Wert-Rechner bieten stets aktuelle Programmfunktionen und kontinuierlich wachsende Baustoff- und Bauteilkataloge.

Bild 11 Auch überschlägig rechnende U-Wert-Apps für Android- und iOS-Mobilgeräte finden sich in den einschlägigen App-Stores.

Dieser Produktvergleich berücksichtigt für die U-Wert-Berechnung nach DIN EN ISO 6946 ( Wärmedurchlasswiderstand), DIN EN ISO 10077-1, für Tauwassernachweise nach DIN 4108-3 und Bauteilnachweise nach GEG ausgelegte Programme, die auch über umfangreiche Baustoff-Datensätze verfügen.

Browserbasierte SaaS-Anwendungen (Software as a Service) wie www.u-wert.net oder www.bauteilrechner.cc haben den Vorteil, dass die Software stets aktuell ist und die Baustoff-/Bauteildaten (teilweise von den Nutzern) kontinuierlich erweitert werden.

Kostenlose U-Wert-Rechner offerieren zum Beispiel mh-Software (TGA-Tools/mh-Bauteil) oder Ursa (Ursa U-Wert). Die österreichische Web-Plattform Baubook bietet ebenfalls einen kostenfreien Rechner für Bauteile, der neben U-Werten nach ÖNORM EN ISO 6946 auch Öko-Kennzahlen berechnet (www.baubook.at/btr). Auch ein kostenpflichtiger Amortisations- und Wirtschaftlichkeitsrechner für Bauteile gehört zu den Online-Tools (www.baubook.at/awr).

Herstellerunabhängige U-Wert-Rechner speziell für Fenster und Türen, die auch Profile, Gläser, Füllungen, Sprossen oder den Randverbund berücksichtigen, werden zum Beispiel von ZSE Rosenheim (ProCalc) oder von Sommer-Informatik (Caluwin) angeboten.

Auch Hersteller von Baustoffen und Bauprodukten offerieren für die Grobauslegung U-Wert-Rechner mit herstellerspezifischen Materialkatalogen, z. B. Knauf, TMP, Wicona etc. Ebenfalls eher für ambitionierte Bauherren konzipiert sind überschlägig kalkulierenden U-Wert-Apps für Android- oder iOS-Mobilgeräte, zum Beispiel der U-Wert Rechner von Tim Krolupper oder U-Wert Pro von Hydroo Holding.

Nützliche Werkzeuge mit Grenzen

U-Wert-Rechner sind nützlich, haben aber auch Grenzen: Es bleiben Wärmeverluste oder -gewinne durch Wärmestrahlung (Beispielsweise Wärmeübergangswiderstand, Wärmeleitfähigkeit und Wärmedurchlasswiderstand) unberücksichtigt, ebenso wie der kapillare Feuchtetransport im Bauteil. Außerdem werden meist nur zeitlich konstante Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten angenommen, was ebenso praxisfern ist, wie 100%ig dichte Dampfsperren oder ein idealisierter Bauteilaufbau.

Auch bei komplexer Bauteilgeometrie, Bauteilanschlüssen, dreidimensionalen Wärmebrücken, Fenstern, Fassaden und Anschlüssen kommen U-Wert-Rechner an ihre Grenzen. Hier sind Wärmebrücken-Simulationsprogramme besser geeignet (siehe Info-Kasten). Berücksichtigen sollte man auch, dass bei Baustoffentscheidungen neben dem Wärme- und Feuchteschutz auch der Schallschutz, Brandschutz, die Nachhaltigkeit oder Unterhaltungskosten eine wichtige Rolle spielen. Marian Behaneck

Fachberichte mit ähnlichen Themen bündelt das TGAdossier TGA-Software

Literatur

[1] DIN EN ISO 6946 Wärmedurchlasswiderstand und Wärmedurchgangskoeffizient – Berechnungsverfahren. Berlin: Beuth Verlag, März 2018

[2] DIN 4108-3 Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 3: Klimabedingter Feuchteschutz – Anforderungen, Berechnungsverfahren und Hinweise für Planung und Ausführung. Berlin: Beuth Verlag, Oktober 2018

[3] DIN 4108-4 Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 4: Wärme- und feuchteschutztechnische Bemessungswerte. Berlin: Beuth Verlag, November 2020

[4] DIN EN ISO 10 077-1 Wärmetechnisches Verhalten von Fenstern, Türen und Anschlüssen – Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten – Teil 1: Allgemeines. Berlin: Beuth Verlag, Oktober 2020

[5] DIN EN ISO 10 456 Baustoffe und Bauprodukte – Wärme- und feuchtetechnische Eigenschaften – Tabellierte Bemessungswerte und Verfahren zur Bestimmung der wärmeschutztechnischen Nenn- und Bemessungswerte. Berlin: Beuth Verlag, Mai 2010

[6] DIN EN ISO 13788: Wärme- und feuchtetechnisches Verhalten von Bauteilen und Bauelementen – Raumseitige Oberflächentemperatur zur Vermeidung kritischer Oberflächenfeuchte und Tauwasserbildung im Bauteilinneren – Berechnungsverfahren. Berlin: Beuth Verlag, Mai 2013

[7] DIN EN ISO 12 631: Wärmetechnisches Verhalten von Vorhangfassaden – Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten. Berlin: Beuth Verlag, Januar 2018

[8] www.energieberaterforum.de  Forum, Suche: U-Wert etc.

[9] www.u-wert.net  U-Wert-Portal und Forum

[10] www.waermebrueckenportal.de  alles über Wärmebrücken

Bild 12 Für die exakte Berechnung des Wärme- und Feuchtetransports in Bauteilen und Bauteilanschlüssen werden spezielle Wärmebrücken-Simulationsprogramme offeriert.

Wärmebrücken detailliert berechnen

Für die detaillierte Berechnung, Analyse und Optimierung des Wärme- und Feuchtetransports in Bauteilen und Bauteilanschlüssen werden spezielle Wärmebrücken-Berechnungsprogramme offeriert. Sie berechnen neben U-Werten auch Psi-Werte (längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizienten), F-Werte (Oberflächentemperaturfaktoren) für Feuchteanalysen und die Schimmelpilzbetrachtung oder Chi-Werte (punktbezogene Wärmedurchgangskoeffizienten), ferner Isothermen, Feuchte- und Wärmeströme in zwei-, teilweise auch in dreidimensionaler Richtung.

Beispiele sind (Auswahl): AnTherm (www.antherm.at), BKI Wärmebrückenplaner (www.bki.de), EVA die Wärmebrückenexpertin (www.leuchter.de), Flixo (www.flixo.de), Heat (www.buildingphysics.com), Hott-Therm (www.hottgenroth.de), HTflux (www.htflux.com), PSI-Therm (www.psi-therm.de), Therm (windows.lbl.gov/software/therm/therm.html), ThermCAD (www.rowasoftgmbh.de), ThermCalc (www.solar-computer.de), Wärmebrücken (www.bauphysik-software.de), WinIso (www.sommer-informatik.de) und ZUB Argos Pro (www.zub-systes.de).