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Fenster

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Definition: ein transparentes Bauteil in der Wand eines Gebäudes

Englisch: window

Kategorie: Haustechnik

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 30.07.2014; letzte Änderung: 30.09.2016

Die meisten Gebäude haben in ihren Außenwänden mehrere Fenster, also transparente Öffnungen. Diese können mehrere Funktionen haben:

Einfluss von Fenstern auf den Wärmehaushalt eines Gebäudes

Wärmeverluste

Wärmebild eines Fensters

Abbildung 1: Wie ein durch Thermografie gewonnenes Wärmebild zeigt, sind die Wärmeverluste selbst bei einem dreifach verglasten modernen Fenster deutlich höher als an einer wärmegedämmten Fassade – vor allem auch an den Rahmen. (Die Temperaturmessung am Glas mit Thermografie ist freilich recht ungenau, weil das Glas teilweise reflektierend ist.)

Die Wärmeverluste eines Fensters hängen von seinem Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) ab. Dieser Wert multipliziert mit der Temperaturdifferenz zwischen innen und außen ergibt die Leistung des Wärmestroms nach außen, der pro Quadratmeter Fensterfläche auftritt. Wenn beispielsweise 10 m2 von modernen Fenstern mit einem U-Wert von 1 W / (m2 K) an einem Tag mit durchschnittlich 0 °C Außentemperatur und 20 °C Innentemperatur betrachtet werden, erhält man eine Wärmeleistung von 1 W / (m2 K) · 10 m2 · 20 K = 200 W. In 24 Stunden entspricht dies einem Wärmeverlust von 4,8 kWh, entsprechend z. B. einem halben Liter Heizöl. Bei einem alten Fenster könnte es auch ein Mehrfaches sein.

Vorsicht: Wärmeverluste in Fensterrahmen müssen berücksichtigt werden, indem man den UF-Wert und nicht den (niedrigeren) UG-Wert betrachtet!

Man beachte, dass Wärmeverluste auch im Fensterrahmen auftreten. Deswegen ist es wichtig, den Wärmedurchgangskoeffizienten für das gesamte Fenster (Glas und Rahmen) zu beachten, und nicht nur den Wert der Verglasung allein. Der relevante Gesamtwert wird häufig als UF (oder auch UW mit W = window = Fenster) bezeichnet, während UG nur die Verglasung berücksichtigt. Die Konstruktion guter Fensterrahmen ist übrigens keine triviale Angelegenheit, da eine Vielzahl von Aspekten berücksichtigt werden muss.

Einfach verglaste Fenster verursachen im Winter sehr hohe Wärmeverluste. Sie weisen hohe U-Werte in der Gegend von 5 W / (m2 K) auf, und die Kälte in Ihrer Nähe kann unangenehm spürbar werden. Im Winter kann es sogar zur Bildung von Eisblumen auf der Innenseite kommen, wenn Feuchtigkeit kondensiert und einfriert.

Wesentlich günstigere Werte werden mit einer Doppelverglasung erreicht, wo ein Luftspalt zwischen zwei Scheiben liegt. Die Luft hat eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit, kann trotzdem aber Wärme durch Konvektion (Umwälzung) transportieren.

Weitere Verbesserungen sind auf verschiedene Weisen möglich:

Eine Vielzahl technischer Ansätze erlaubt die thermische Verbesserung von Fenstern.

  • Man kann den Hohlraum zwischen zwei Scheiben mit einem Gas füllen, welches weniger Wärme transportiert als Luft. Hierfür werden vor allem Edelgase eingesetzt. Eine kostengünstige Lösung ist Argon; wirksamer, aber teurer ist die Verwendung eines schwereren Gases wie zum Beispiel Krypton.
  • Man kann die Luft zwischen den Scheiben auch ersatzlos entfernen, d. h. ein Vakuum herstellen. Dann müssen die beiden Scheiben allerdings mit geeigneten Maßnahmen (z. B. mit feinen, kaum sichtbaren Abstandshaltern) gegeneinander abgestützt werden, damit sie dem äußeren Luftdruck standhalten können. Ein solches Vakuumisolierfenster ermöglicht einen sehr hohen Dämmwert bei gleichzeitig kompakten Abmessungen. Bisher wird die Vakuumverglasung kaum verwendet, aber dies könnte sich zukünftig ändern.
  • Fenster mit Dreifachverglasung sind inzwischen recht gebräuchlich. Da sie zwei Luftspalte aufweisen, ist Ihre Dämmwirkung deutlich erhöht.
  • Dünne, kaum sichtbare Beschichtungen auf der Verglasung können den Wärmetransport durch Wärmestrahlung vermindern (der sogar durch ein Vakuum durch geschehen kann), indem sie den Emissionsgrad der Oberflächen herabsetzen. Zwar kann längerwellige Wärmestrahlung, die von Gegenständen im Raum und von Wänden ausgestrahlt wird, gewöhnliche Fenstergläser ohnehin nicht durchdringen. Jedoch würde sie auf dem Glas absorbiert, und die dabei entstehende Wärme würde dann zum Teil nach außen abfließen. Deswegen ist es günstiger, wenn diese Wärmestrahlung auf der Innenseite reflektiert wird. Allerdings kann dies auch die Wärmegewinne (siehe unten) vermindern.

Gut wärmedämmende Fenster erreichen heutzutage UF-Werte in der Gegend von 1 W / (m2 K). Die Energieeinsparverordnung von 2014 fordert einen Wert von höchstens 1,3 W / (m2 K), was noch mit einer Doppelverglasung erreichbar ist. Voraussetzung für eine KfW-Förderung ist ein UF-Wert von maximal 0,95 W / (m2 K), was eine Dreifachverglasung erfordert. Vor allem für Passivhäuser verwendet man noch bessere Fenster mit Werten von ca. 0,5 bis 0,8 W / (m2 K).

Vorsicht: allein anhand der Bezeichnung des Fenstertyps kann man die energetische Qualität nicht beurteilen.

Es gibt eine Vielzahl von Bezeichnungen für gut wärmegedämmte Fenster. Anfangs sprach man von Mehrscheiben-Isolierverglasung, später auch von Wärmeschutzverglasung oder Wärmedämmverglasung. Besonders gute Fenster werden auch als Passivhausfenster bezeichnet. Eine eindeutige Beurteilung ist jedoch nur durch Betrachtung des UF-Werts möglich.

Selbst ausgezeichnet wärmedämmende Fenster mit UF-Werten von z. B. 0,5 W / (m2 K) verursachen pro Quadratmeter Fläche wesentlich höhere Wärmeverluste als eine wärmegedämmte Wandfläche, wo U-Werte von z. B. 0,2 W / (m2 K) relativ leicht zu erreichen sind. Allerdings ist der Anteil von Fenstern an der Außenwandfläche gewöhnlich nicht allzu groß. Deswegen dominiert meist doch der Wärmeverlust durch die Wandflächen.

Wärmegewinne

Wärmegewinne durch Fenster spielen eine wichtige Rolle für den Energiehaushalt eines Hauses. Beim Passivhaus können sie sogar dominierend sein.

Da Fenster Sonneneinstrahlung in Räume gelangen lassen, ermöglichen sie solare Wärmegewinne: Sonnenlicht gelangt durch die Fenster, wird an Gegenständen im Raum absorbiert und erzeugt dort Wärme. Wesentlich sind diese Gewinne natürlich nur bei direkter Sonneneinstrahlung; diffuses Streulicht, wie es auch an Nordfassaden auftritt, trägt nur wenig zur Erwärmung bei.

Sonneneinstrahlung wird von Fenstern grundsätzlich nur teilweise eingelassen; ein Teil der Strahlung wird an den Scheiben wieder nach außen reflektiert, ein Teil auch im Glas absorbiert. Unter Umständen wird auch ein Teil der Strahlung auf Beschichtungen absorbiert. Absorbierte Strahlung wird dort in Wärme umgewandelt, die dann je nach den Verhältnissen mehr nach innen oder mehr nach außen fließt. Deswegen kann der Wärmegewinn sogar davon abhängen, wie ein Fenster eingebaut ist, d. h. welche Scheibe außen liegt. Dies wird bei speziellen Wendefenstern ausgenutzt, die im Winter gute Wärmegewinne ermöglichen, im Sommer aber (andersherum montiert) weniger zur Aufwärmung der Räume beitragen. Da hierfür eine aufwendige Mechanik notwendig ist, sind solche Fenster allerdings wenig verbreitet.

Der Energiedurchlass eines Fensters für die Sonneneinstrahlung kann mithilfe eines g-Werts quantifiziert werden. Beispielsweise bedeutet ein g-Wert (Energiedurchlassgrad) von 0,6, dass 60 % der eingestrahlten Energie durchgelassen werden. Je höher dieser Wert ist, desto höher sind die möglichen solaren Gewinne.

Natürlich spielt auch die Richtung, mit der das Sonnenlicht auf die Fenster trifft, eine große Rolle. Wenn beispielsweise ein Winkel von 45° gegenüber der Senkrechten auftritt, ist die Einstrahlung aus geometrischen Gründen um ca. 30 % vermindert. (Zusätzlich kann auch die Reflexion zunehmen.) Bei senkrecht eingebauten Fenstern kann dieser Effekt recht nützlich sein: Bei flacher Sonneneinstrahlung im Winter (niedriger Sonnenstand) wird viel Wärme eingelassen, während bei hohem Sonnenstand im Sommer wesentlich weniger Wärme eindringt. Bei Dachfenstern ist dies ungünstiger: Hier kann ein maximaler Wärmegewinn gerade im Sommer entstehen, wenn er am wenigsten erwünscht ist. Dann ist ein Sonnenschutz besonders wichtig.

Abwägung von Wärmeverlusten und Wärmegewinnen durch Fenster

Sollen Fenster in erster Linie möglichst geringe Wärmeverluste aufweisen, oder soll man den Wärmegewinn maximieren?

Bei Gebäuden z. B. in Mitteleuropa, wo die jährlichen Durchschnittstemperaturen relativ niedrig liegen, ist es energetisch meistens günstig, wenn durch Fenster möglichst hohe Wärmegewinne realisiert werden und gleichzeitig die Wärmeverluste gering gehalten werden. In manchen Fällen ist es allerdings auch wichtig, einer sommerlichen Überhitzung vorzubeugen.

Fenster auf einer häufig sonnenbeschienenen Südfassade können, wenn sie qualitativ hochwertig sind, ohne Weiteres im Winter mehr Sonnenwärme hereinlassen, als Wärme verloren geht. Deswegen werden bei einem Passivhaus auf der Südseite meist relativ großzügige Fensterflächen vorgesehen, auf der Nordseite dagegen eher kleine.

Leider geht eine gute Wärmedämmwirkung in der Regel mit einem reduziertem Energiegewinn einher.

Die g-Werte sind bei Fenstern mit Dreifachverglasung typischerweise geringer, da mehr Reflexionen auftreten. Aus diesem Grund kann der Einsatz eines Fensters mit nur zweifacher Verglasung auf einer unverschatteten Südfassade energetisch sinnvoll sein, vor allem wenn eine Edelgasfüllung zwischen den Scheiben auch so für geringe Wärmeverluste sorgt. (Eine Vakuumverglasung wäre noch besser.) Jedenfalls ist bei Südfenstern ein sinnvoller Kompromiss zwischen einem niedrigen U-Wert und einem möglichst hohen g-Wert anzustreben. Dabei ist natürlich die konkrete Situation zu beachten. In manchen Fällen, etwa wenn die Fassade ohnehin durch andere Gebäude beschattet ist, kommt es wie bei Nordfenstern hauptsächlich auf ein niedrigen U-Wert an. Auch bei unbeschatteten Südfenstern kann dies so sein, z. B. wenn der Wärmegewinn an sonnigen Tagen durch großzügige Fensterflächen ohnehin mehr als ausreichend ist.

Wenn im Sommer die Überhitzung von Räumen droht, geht es umgekehrt natürlich gerade darum, den Wärmeeintrag durch Fenster möglichst gering zu halten. Das effektivste Mittel hierfür ist der Einsatz eines äußeren Sonnenschutzes. Zwar kann auch ein innerer Sonnenschutz Strahlung absorbieren, jedoch gelangt die dabei entstandene Wärme dann eben in den Raum. Beim äußeren Sonnenschutz dagegen wird diese Wärme an die Außenluft abgegeben. In manchen Fällen ist es sinnvoll, beide Techniken einzusetzen: einen äußeren Sonnenschutz gegen Überhitzung im Sommer und einen inneren für den Blendschutz im Winter. Man beachte, dass man durch Einsatz eines äußeren Sonnenschutzes gegen Blendungseffekte im Winter sehr viel erwünschte Wärmegewinne verliert; es können an sonnigen Wintertagen pro Quadratmeter Fensterfläche etliche Kilowattstunden sein.

Wärmeverluste durch Undichtigkeiten

Fenster weisen häufig erhebliche Undichtigkeiten auf, die unterschiedliche Ursachen haben können und zusätzliche Energieverluste verursachen. Ein häufiges Problem sind nicht intakte Dichtungen zwischen Fensterflügel und Rahmen, die zu unangenehmen Zugerscheinungen führen können. Außerdem können durch mangelhaften Einbau von Fenstern Undichtigkeiten entstehen. Wo solche nur mit Isolierschaum verhindert werden, können sie später doch auftreten, wenn der Schaum altert. Eine solide Art der Bauausführung ist deswegen wichtig.

Braucht man Undichtigkeiten nicht für eine ausreichende Belüftung?

Im Prinzip tragen Undichtigkeiten auch zur notwendigen Belüftung des Gebäudes bei. Dies tun sie jedoch auf besonders ineffiziente Weise: unkontrolliert, abhängig vom Wetter (Wind), jedoch nicht vom Bedarf, und häufig in unerwünschten Richtungen. Beispielsweise ist es ungünstig, wenn der Wind Zugerscheinungen verursacht, die mit Gerüchen belastete Luft von Toiletten oder Küchen in Wohnräume drückt. Undichtigkeiten können trotz ihres Beitrags zur Belüftung auch gerade zur Ursache von Feuchteschäden werden. Beispielsweise können sie eine lokale Abkühlung von Bauteilen verursachen, so dass dort dann Wasserdampf kondensieren kann. Dieses Problem ist gerade auch von undichten Rollladenkästen bekannt, die zu Schimmelnestern werden können.

Heutige Baunormen fordern aus guten Gründen eine luftdichte Gebäudehülle. Dies ist mit modernen, korrekt eingebauten Fenstern problemlos möglich. Auch Zusatzeinrichtungen wie Rollläden oder ein äußerer Sonnenschutz können heute eingebaut werden, ohne dass dadurch Undichtigkeiten entstehen.

In gewissen Sonderfällen – Belüftung mit einer reinen Abluftanlage – funktioniert das Lüftungskonzept nach Einbau dichter Fenster ohne Zuluftöffnungen nicht mehr. Dann sind solche Öffnungen notwendig und sinnvoll für eine halbwegs kontrollierte Belüftung.

Ein Sonderfall sind Wohnungen mit einer einfachen Lüftungsanlage, die als reine Abluftanlage ausgeführt ist [1]. Hier wird die Luft beispielsweise aus Badezimmern und Küchen abgesogen, und die Frischluft muss irgendwo nachströmen können, damit dies funktioniert. Wenn dies ursprünglich durch Fensterritzen geschah, kann der Einbau neuer dichter Fenster dieses Lüftungskonzept über den Haufen werfen. In diesem Fall kann es tatsächlich sinnvoll sein, gezielt Undichtigkeiten zu schaffen - am besten durch gezielt platzierte Zuluftöffnungen beispielsweise in Fensterrahmen. Damit erreicht man immer noch eine halbwegs kontrollierte Belüftung, da durch diese Öffnungen dann systematisch Luft nur einströmt und die verbrauchte Luft anderswo über Ventilatoren abgesogen wird.

Übrigens ist der Einbau hochwertiger wärmedämmender Fenster auch in solchen Fällen sehr wohl sinnvoll – eben nicht wegen der Verbesserung der Dichtigkeit (die dann ja wegen der nötigen Zuluftöffnungen nicht relevant ist), sondern wegen der Verminderung von Wärmeverlusten durch Wärmeleitung, die durch den U-Wert des Fensters ausgedrückt werden

Lüften mit Fenstern

Das Öffnen von Fenstern stellt in vielen Gebäuden die einzige Möglichkeit zur Belüftung des Gebäudes dar.

Beschlagene Fensterscheiben

Fenster können innen oder außen beschlagen – mit ganz unterschiedlichen Ursachen.

Wenn Wasserdampf auf einer Fensterscheibe kondensiert, so dass sich dort kleine Wassertröpfchen bilden, äußert sich dies in einem matten Aussehen. Dieses Beschlagen tritt häufig auf der Innenseite auf, wenn eine Verglasung mit schlechter Wärmedämmwirkung an kalten Tagen auch innen kalt wird, oder wenn innen die Luftfeuchtigkeit z. B. als Folge mangelnder Belüftung zu hoch wird. Beschlagene Fensterscheiben können also als Hinweis auf eine zu hohe Luftfeuchtigkeit dienen. Viel zuverlässiger ist diesbezüglich allerdings ein Hygrometer.

Im Prinzip können kalte Fensterscheiben auch zur erwünschten Entfeuchtung der Luft beitragen. Jedoch ist dies wenig praktikabel, da man dann das kondensierte Wasser regelmäßig entfernen müsste, und weil diese Wirkung stark außentemperaturabhängig ist.

Bei gut wärmedämmenden Fenstern kann es kurzzeitig vorkommen, dass die Scheiben außen beschlagen. Dies geschieht, wenn an einem nebligen Tag außen die Lufttemperatur schneller ansteigt als die Temperatur der äußeren Scheibe. Jedoch steigt die Temperatur des Glases dann bald an, und die Scheibe wird wieder klar.

Fenster bei der Thermografie

Wenn von einer Fassade ein Infrarot-Wärmebild hergestellt wird (Thermografie), kann man auf dem Bild nichts im Innenraum erkennen. Dies liegt daran, dass Fenster zwar für sichtbares Licht, nicht aber für längerwellige Wärmestrahlung durchlässig sind. Man erhält deswegen ein Signal, welches in erster Linie von der Oberflächentemperatur des Fensters abhängt.

Da auch ein gutes Fenster eine wesentlich geringere Dämmwirkung aufweist als eine gedämmmte Wand, sind dort auf Thermografieaufnahmen stets etwas höhere Temperaturen zu erwarten. Dies muss also nicht unbedingt auf einen Mangel hinweisen. Allerdings erkennt man auf Wärmebildern auch große Unterschiede zwischen modernen hochwertigen Fenstern und alten Fenstern, selbst wenn diese bereits eine Doppelverglasung aufweisen. Außerdem können Mängel an Fensterrahmen aufgedeckt werden, etwa Folgen von Undichtigkeiten.

Häufig findet man direkt oberhalb von alten Fenstern starke Wärmeverluste an undichten Rollladenkästen. Hier besteht auch die Gefahr der Bildung von Schimmel.

Austausch von Fenstern bei der Gebäudesanierung

Im Rahmen der energetischen Sanierung von Gebäuden werden häufig auch die Fenster ausgetauscht. Da die Energieverluste bei alten Fenstern recht hoch sein können, kann dies zu einer wesentlichen Reduktion des Heizwärmebedarfs führen.

Der Austausch von Fenstern und das Anbringen einer äußeren Wärmedämmung erfolgt am besten in einem gemeinsam geplanten Zusammenhang!

An den Austausch der Fenster sollte unbedingt gedacht werden, wenn eine äußere Wärmedämmung (ein Wärmedämmverbundsystem) angebracht werden soll. Es wäre nämlich ungünstig, wenn die alten Fenster verbleiben, und man versucht, die Fensterlaibungen zu dämmen, was die Fensteröffnung verkleinert (“Schießscharteneffekt”) (allerdings in geringem Ausmaß bei Verwendung von Vakuumdämmplatten). Bei einem späteren Austausch der Fenster wäre es dann außerdem schwierig, den korrekten Anschluss an die Wärmedämmung herzustellen.

Es ist deswegen oft wesentlich besser, wenn zunächst die Fenster ausgetauscht werden, wobei die neuen Fenster dann bündig mit der Außenwand eingebaut werden. Erst durch die Wärmedämmung wird dann ein Fenstervorsprung neu aufgebaut. Wärmebrücken werden so vermieden, und das System kann dann so meist für Jahrzehnte belassen werden. Das Versetzen der Fenster nach außen bewirkt innen, dass die Fensterbretter wesentlich breiter werden, und dass die Fensteröffnung nicht verkleinert werden muss. Dies führt auch zu einem wesentlich besseren optischen Eindruck.

Oft werden auch nur Fenster ausgetauscht, ohne dass eine komplette Sanierung durchgeführt wird. Dann werden aber die Fenster in der Regel nicht nach außen versetzt, so dass sie nicht optimal zu einer später angebrachten Wärmedämmung passen werden.

Literatur

[1]Blog-Artikel: Schimmel durch neue luftdichte Fenster

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Licht, Fensterlüftung, Wärmedurchgangskoeffizient, Transmissionswärmeverlust, solare Gewinne
sowie andere Artikel in der Kategorie Haustechnik

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