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Bauinfo Grundlagenwissen: Bauphysik,
hier: Bauphysik für jedermann

(Bau-) Physikalische Größen und Begriffe, Erläuterungen und praktische Beispiele,

Die Zeit
Der Weg / die Länge
Die Temperatur
Die Dichte
Die Konzentration
Das Gefälle
Das Kapillarverhalten / die Kapillarwirkung
Die Diffusion
Die Wärmemenge
Die Wärmeleitung
Die Wärmeleitfähigkeit
Wärmedurchlasskoeffizient und -widerstand
Wärmeübergangskoeffizient und -widerstand
Wärmedurchgangskoeffizient und -widerstand
Lüften, relative Luftfeuchte, Sättigungswasserdampfgehalt
Kondensation: Tauwasserbildung
Das Speichervermögen
Die Strahlungswärme / Wärmestrahlung
Die Solarkonstante
Die Konvektion
Eine Übersicht zu den 3 Arten des Wärmetransports
theoria cum praxi? Strahlung statt Leitung
theoria cum praxi? Der "Solarputz" wurde erfunden
Das griechische ABC
Bauherren-Ratgeber Fassade
Energie sparen und Wert erhalten
(Rezension)
Wasser
Vorwort (2001, 2008)



Für Ihre Anregungen und Fragen.

 



Die Zeit

ist zweifellos die allgegenwärtige Größe, nicht nur in der Bauphysik. Keine Geschwindigkeit ohne Zeit, denn eine Reisegeschwindigkeit ist der in einer Zeiteinheit zurückgelegte Weg. Beispiel: Sie fahren die 50 km von A nach B in einer halben Stunde, das entspricht einem Durchschnitt von 100 km/h.

In der Haustechnik haben wir z.B. noch die Fliessgeschwindigkeit, das heißt: wie viel Liter Wasser fließen in der Minute durch das installierte Rohr. Ein Beispiel für praktische Auswirkungen ist ein Rohrbruch: je höher die Fliessgeschwindigkeit und je länger die Zeit, bis Sie die Bescherung merken, um so mehr Wasser ist ausgelaufen.

Die Zeit spielt aber auch eine wichtige Rolle, wenn es um heizen und lüften geht. Das sind solche Fragen: wie lange muss ich lüften und wie oft (Stosslüftung)? oder: Wie lange dauert es, bis ich die Wohnung (wieder) warm habe?

Ich behaupte mal ganz kühn: es gibt eigentlich kaum einen physikalischen Prozess, bei dem der Faktor Zeit keine Rolle spielt. In der praktischen Anwendung jedoch ist schon eine gewisse Ignoranz festzustellen, insbesondere wenn es um Wärmedämmung geht.

Die qualitative Beurteilung einer Konstruktion nach DIN bzw. EnEV zielt hauptsächlich auf den u-Wert ab. Der aber hat mit der Zeit nicht viel zu tun. Wie schnell ein Wärmestrom durch Stoffe fließt oder wie lange ein Aufwärm- oder Auskühlprozess stattfindet, wird nicht komplex betrachtet. Denn das Modell sieht einen stationären Zustand vor.

Angesichts von praktisch häufig auftretenden Temperaturschwankungen ist das ein großes Manko, folglich eine einseitige Betrachtung. Denn in Verbindung mit Stoffkenngrößen sind Speichervorgänge zu betrachten, die viel langsamer ablaufen, als die täglichen Temperaturänderungen.

Spätestens seit Einstein wissen wir, dass die Zeit auch eine relative Größe ist.

Beispiel Z1: Ein Gebäude kann hundert Jahre alt sein und älter, ohne abbruchreif geworden zu sein. Viele Fassaden mit WDVS sind bereits nach 2-5 Jahren erneuerungsbedürftig.

Beispiel Z2: Früher oder später bekommt jede Abdichtung ihre Schwachstelle, erfolgt keine Instandhaltung oder Instandsetzung innerhalb der durchschnittlichen Zyklen, verliert jedes Bauteil früher oder später seine Funktion. Versagt die Abdichtung, nimmt das Gebäude, beginnend mit den Fundamenten und weiterführend mit den Wänden des EG, Feuchte auf. Früher wurde noch wahrhaft massiv gebaut, Wandstärken im EG von 0,5 - 1,0 m sind da keine Seltenheit. Entsprechend viel Feuchte kann da das Mauerwerk aufnehmen. Wenn man es dann für nötig erachtet, Maßnahmen zur Feuchtesanierung und Bauaustrocknung einzuleiten, darf man nicht erwarten, innerhalb von Wochen oder Monaten herauszuzaubern, was über viele Jahre - langsam aber sicher - hineingelangen konnte. Wichtig: eine so genannte "Mauertrockenlegung" ohne begleitende ausreichende Austrocknungsmöglichkeit (dazu benötigt man Flächen und Gefälle!) sperrt die Feuchte nur ein! Hierbei ist es wichtig zu unterscheiden, ob man etwas erläutert oder aufgeschwatzt bekommt.

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Der Weg / die Länge

ist eine so simple Sache, dass deren Erklärung schwieriger ist als die Sache selbst. Die Verbindung mit der Zeit ist oben schon erklärt: aus der Relation Weg und Zeit ergibt sich die Geschwindigkeit. Im Bauwesen an sich spielt der Weg als Länge eine herausragende Bedeutung. "Schon dreimal abgeschnitten, und immer noch zu kurz" verdeutlicht uns sehr anschaulich die Bedeutung des Planens, Messens und Ausführens nach Längeneinheiten wie m, cm und mm.

Ob es sich um Geschosshöhen handelt, Spannweiten von Fensterstürzen oder Decken, die Abmessungen von Fenstern oder einfach um die Dicke von Wänden - wir haben es immerzu mit dieser Größe zu tun, auch wenn es unterschiedliche Bezeichnungen gibt: Weg, Strecke, Entfernung, Länge, Breite, Höhe, Dicke, Stärke, Mächtigkeit. Es geht letztendlich immer um einen Weg von A nach B, der - egal in welcher räumlichen Lage auch immer - geradlinig und eindimensional betrachtet wird.

Es gibt aber auch Situationen, da muss man den Weg zweidimensional bzw. sogar dreidimensional betrachten. Eindimensional = Strecke (x), zweidimensional = Fläche (x; y), dreidimensional = Kubus / Volumen / Rauminhalt (x; y; z). Das trifft für die Betrachtung von Wandausschnitten mit den Abmessungen 1 m x 1m zu, die bezogene Fläche ist dann 1 m2 (qm). Für die Betrachtung von Stoffkenngrößen, z.B. der Dichte, ist der m3 (cbm) unverzichtbar.

In der Bauphysik wird die Dicke mit s (oder mit d) bezeichnet und in m angegeben.

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Die Temperatur

kennen wir unter den Begriffen heiß und kalt usw. Aber was bedeutet Temperatur physikalisch? Wie wir alle wissen, bestehen Stoffe aus Molekülen und die wiederum aus Atomen. Nimmt man ein "Atommikroskop" und sieht sich die Atome einer Eisenstange an, stellt man fest, dass die ständig in Bewegung sind. Diese Schwingungen der Atome sind aber nun wieder so klein, dass man sich das gar nicht mehr vorstellen kann.

Jedoch ist dieses Maß der Schwingung eine Größe für den Energiezustand: je höher die Temperatur, desto schneller die Schwingungen. Dann müssten die aber auch mal aufhören? Ja, das ist so, nämlich wenn der "absolute Nullpunkt" erreicht ist. Das sind ca. -276 °C im All. Kälter geht es nicht. Dann hören die Atome auf zu schwingen.

Um mal eine Relation zu sehen: in der Reiseflughöhe eines Jets sind es draußen um die -40 °C, unter 0 °C gefriert das Wasser, 40 °C heißes Wasser empfindet man schon als heiß, ein Feuer entwickelt 900 - 1200 °C und die Sonne hat auf der Oberfläche 1000 - 3000 °C und im Innern einige Millionen °C.

Was sagt uns die Alltagserfahrung?: bei Kälte geht alles etwas langsamer, geradezu zäh. Selbst Öle werden dickflüssig und ein guter Schnaps ist wie Öl, wenn er aus dem Tief-Kühler bei -25 °C kommt. Wasser macht sich bei ca. 100 °C "dünne", es verschwindet in Form von Wasserdampf.

Das ist alles eine Frage der Temperatur, also eine Frage des Energiezustandes. Die bei uns gebräuchliche Maßeinheit ist das °C, aber Sie kennen auch andere Gradskalen: Reaumur (°R), Fahrenheit (°F). Die für bauphysikalische Betrachtungen wichtige Größe ist die Temperaturdifferenz, welche man in K (Kelvin) angibt. 12 °C - 10 °C = 2 °C = 2 K.

Beispiel T1: Höhere Temperatur bedeutet höheres Energieniveau bedeutet stärkeres Schwingen der Moleküle bedeutet größeren Platzbedarf. Jeder weiß: bei Temperatur dehnen sich Stoffe aus und bei Kälte ziehen sie sich zusammen. Flüssige und gasförmige Stoffe ändern dabei ihre Dichte. Feste Stoffe und Körper weisen hingegen temperaturbedingte Längenänderungen auf, ohne ihre Dichte spürbar zu verändern. Sie verformen sich oder "machen sich lang". Wer das nicht beachtet, kann sich z.B. über hochgewölbte Attikableche freuen, wenn die Dehnungsausgleicher vergessen wurden.

Aktualisierung zu T1: Bei T1 steht: bei Festkörpern ändert sich bei Erwärmung nicht die Dichte, sondern nur die lineare Ausdehnung. Das ist falsch. Die lineare Ausdehnung ändert sich in allen 3 Raumrichtungen, deswegen ist die Volumenausdehnung ca. das 3-fache der linearen Ausdehnung. Da die Masse konstant bleibt, verringert sich natürlich die Dichte entsprechend der Volumenausdehnung. 18.03.2002, J. E.
In der praktischen Bedeutung werden Sie dennoch eher mit Problemen der Längenausdehnung bei Hitzeeinwirkung zu tun haben, weil die Ausdehnung genau in der Dimension (räumlichen Richtung) zum Problem wird, wo das sich ausdehnende Bauteil gegen einen Festpunkt stößt (ein anderes Bauteil, das die Ausdehnung behindert).

Beispiel T2: Der Eiffelturm z.B. wird im Sommer 15 cm höher und die stählerne Eisenbahnbrücke über den Forth gar 1 m. Dass sich Eisen gern bei Hitzeeinwirkung streckt, wusste man schon vor vielen Jahren. Beim Eisenbahnbau hat man da eben ein Stück zwischen den Schienen freigelassen, damit es zu keinen Verwerfungen kam. Ein Vergleich des Geräusches und der Ursachen und Wirkungen beim Befahren älterer Autobahnabschnitte, wo noch Platten mit Fugen anzutreffen sind, ist nicht ganz fehl am Platze.

Beispiel T3: Auch Wasser verändert seine Dichte, egal ob es sich im flüssigen oder im gasförmigen Zustand befindet. Wird es richtig kalt, geht es sogar in den festen Zustand über. Hier gilt es aber eine kleine, jedoch nicht unwesentliche Eigenheit zu beachten. Bevor gefrorenes Wasser sich als Eis bei zunehmender Kälte zusammenzieht, dehnt es sich erst mal aus. Diese Erscheinung liegt im Temperaturbereich zwischen 0 °C und -3 °C. Das bedeutet z.B. bei der Dachabdichtung: überall dort, wo Wasser nicht abläuft und wo es sich beim gefrieren nicht frei ausdehnen kann, wird es Zerstörungen durch Keilwirkung oder Absprengen herbeiführen. Für Wasserrohre bedeutet das: sie platzen, weil das Wasser so eine Kraft aufbringt, dass die Metallwand aufreißt.

Noch eine Erklärung zur Wärmeausdehnung:

Die weitaus meisten, also nicht alle, Stoffe dehnen sich mit steigender Temperatur aus. Der lineare Ausdehnungskoeffizient a ist aber in Wirklichkeit keine Konstante, sondern er hängt selbst von der Temperatur ab. Die Längenausdehnung lässt sich nur für Festkörper tatsächlich nutzen (z.B. Bimetall), obwohl sich auch ein Festkörper dreidimensional ausdehnt. Diese Größe heißt Volumenausdehnungskoeffizient g. Er ist für Festkörper ungefähr 3 a.

Beispiel Wa1: Thermische Längenausdehnungskoeffizienten a einiger Materialien (bei Zimmertemperatur in 10-6 K-1): Aluminium: 25,5 | Eis: 0,5 | PVC: 150 - 200 | Silber: 18,8
Der Volumenausdehnungskoeffizient g von Wasser beträgt bei Zimmertemperatur20,7 * 10-5 K-1.

Beachte: Temperatur = Wärme ? Lösung = Nein.

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Die Dichte

ist das Verhältnis aus Gewicht zu Volumen. Bei der Rohdichte wird ein homogener Stoff betrachtet. Wasser hat eine Dichte von 1, das sind 1.000 kg bzw. 1 t pro 1 m3. Holz kommt auf 600 - 800 kg/m3, ist somit leichter als Wasser und deshalb schwimmt es auch. Beton bringt es auf ca. 2.400 kg/m3 und Stahl hat um die 7.000 kg/m3. Mineralische Dämmstoffe beginnen bei 5 und sie bringen es auf Werte von max. 500 kg/m3.

Die Dichte von gasförmigen und flüssigen Stoffen hat auch was mit der Temperatur zu tun. Wenn die Moleküle mit zunehmender Temperatur stärker schwingen, brauchen sie auch mehr Platz dafür. Der Stoff dehnt sich aus und weil sich dabei bei gleicher Masse mehr Volumen ergibt, nimmt die Dichte ab.

Beispiel D1: In einem Fesselballon zu fliegen, ist ne tolle Sache. Physikalisch gesehen, ist es eine simple Erscheinung: mittels der Brennerflamme wird Heißluft erzeugt, die im Gewebe des Ballons gefangen wird. Deren Dichte ist geringer als die der Umgebungsluft, deshalb steigt der Ballon auf. Die entstehende Auftriebskraft hat was mit der Dichtedifferenz zu tun. Runterkommen ist ganz einfach: Flamme aus, Luft kühlt ab, deren Dichte nimmt zu, somit wird die Luft schwerer, der Ballon sinkt nach unten. Dass man mit dem Heißluftballon einen Vulkankrater überfliegt, ist nur in einer alten Jules-Verne-Verfilmung möglich. Auch wenn der Vulkan inaktiv ist, steigt heiße Luft auf. Kommt man dort mit dem Ballon hinein, wäre die Heißluft im Ballon vergleichsweise kalt - man würde unweigerlich in den Krater hinabsinken.

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Die Konzentration

sagt uns, wie viel Einheiten eines Stoffes in einem anderen enthalten sind. Das können Salzionen im Wasser sein, aber auch Wasserdampf in der Luft. Das ist übrigens ein häufig behandeltes Thema, weil es hier um Diffusion, Kondensation (Tauwasserbildung) und richtiges Lüften geht. Die Begriffe relative Luftfeuchte und Sättigungsdampfgehalt haben auch etwas mit Konzentration zu tun.

In der Bauphysik muss man darauf achten, die Masse- und die Volumenkonzentration auseinander zu halten (Sie erkennen es an den Einheiten M% und V%). Die Formel hierfür ist nicht so kompliziert:

uv = um * r / 1.000 und umgekehrt: um = uv * 1.000 / r

Dabei bedeuten r (rho) die Rohdichte [kg/m3], u ist der Feuchtegehalt [%] mit Fußnote m massebezogen und mit Fußnote v volumenbezogen.

Beispiel K1: Die bekanntesten Kenngrößen für Konzentration bei Flüssigkeiten liefert uns die Getränkeindustrie: Bier hat um die 5%, Wein 10-13%, Liköre 25-32%, Cognac bereits um die 40% und wer schon mal im Österreichurlaub Strohrum ausprobiert hat, weiß die Unterschiede von 60% und höher zu schätzen. Gemeint ist immer die Alkoholkonzentration. Man hat mit 2 Flaschen Rotwein so viel Alkohol aufgenommen wie mit 6 Flaschen Bier zu 0,5 l (1,5 l x 10% = 3,0 l x 5% = 150 ml). Das ist relativ wenig, werden Sie im Auto aber vom Schutzmann angehalten ist das relativ viel.

Beispiel K2: 5 cbm Porenbeton wurden achtlos auf die blanke Erde gestapelt und abgedeckt hat die auch keiner - wie jeder andere Stoff auch, saugen sich die Steine voll. Dieser Porenbeton hat eine Rohdichte von 400 kg/m3. Nehmen wir an, die Porenbetonsteine haben 500 l Wasser aufgenommen, dann sind das 500 l auf 5 cbm, also 10 % volumenbezogen. Massebezogen sind es 10 % * 1.000 / 400 = 25 %, hätte der Porenbeton eine Rohdichte von 600 kg/m3 betrüge der volumenbezogene Feuchtegehalt 16,7 %.

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Das Gefälle

gibt es nicht nur auf Strassen und Wegen. Ein lustiges Beispiel ist, wenn der Architekt eine Tiefgarageneinfahrt geplant hat und beim Gefälleknick nicht aufgepasst hat. Das bedeutet, dass Herr Meckermann mit seinem BMW Z3 prompt aufsetzt und sich an seinem schönen Auto wertvolle Teile abhobelt (also eine Haftungsfrage, nur mal so am Rande).

Es geht um den Unterschied von zwei Höhen, je kürzer die bezogene Strecke ist oder je größer der Höhenunterschied auf ein und derselben Strecke, um so größer ist das Gefälle. Gemessen wird es in Meter je Meter bzw. cm je Meter, wodurch man gleich auf % kommt.

Was es sonst noch für Gefälle gibt:

  • Druckgefälle
  • Temperaturgefälle
  • Konzentrationsgefälle
  • Spannungsgefälle, elektrisch
  • Spannungsgefälle, elektro-chemisch

Das betrifft zwar immer unterschiedliche Größen und Erscheinungen, jedoch haben alle eines gemeinsam: ein Ausgleich erfolgt immer vom höheren zum niederen Niveau, so sicher wie Wasser immer bergab fließt. Das bedeutet, Sie können im Winter nicht das Fenster aufmachen und "das eine Grad von draußen reinlassen".

Beispiel G1: Im Sommer können hinsichtlich Temperatur- und Konzentrationsgefälle (Luftfeuchtigkeit) so ungünstige Verhältnisse auftreten, dass man mit einer vermeintlichen Bauaustrocknung mehr Schaden anrichtet. Wenn Sie alle Fensteröffnungen geöffnet halten, ist es im Bauwerk, zumeist im KG, kälter und lufttrockner als in der Umgebung(sluft). Die Folge: warme und feuchte Luft dringt ins Gebäudeinnere, wo sie kondensiert. Dadurch erfolgt ein Eintrag zusätzlicher Feuchte anstatt einer Trocknung.

Beispiel G2: Gefälle lassen sich künstlich erzeugen. So funktioniert eine Blower-Door-Messung, indem ein definiertes Druckgefälle aufgebaut, gemessen und ausgewertet wird. Dieses Gefälle baut man nach oben und nach unten auf (Über- und Unterdruck) und je nach ein- oder ausströmender Luft wird der Dichtheitsgrad von Gebäuden bestimmt.

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Das Kapillarverhalten / die Kapillarwirkung

ist eine Stoffeigenschaft, die das Vermögen beschreibt, innerhalb dieses Stoffes Wasser zu transportieren. Dieser Transport erfolgt in Poren (z.B. nennt man die Hohlräume zwischen den Steinchen von Sand oder Kies oder Beton Haufwerksporen) oder in anderen Kapillargefässen, die sich aus der Stoffstruktur ergeben.

Hier sind wir natürlich im mikroskopischen Bereich und es gehört etwas Vorstellungsvermögen dazu. Die Kapillargefässe ziehen sich wie ein Geflecht feiner Äderchen durch das Stoffgefüge. Der Wassertransport erfolgt durch Oberflächenspannungen innerhalb dieser Äderchen oder Röhrchen. Und: er kann entgegen der Schwerkraft erfolgen.

Eine Erklärung für die Kapillarwirkung ist die Adhäsion (das ist die Anziehungskraft zwischen den Molekülen zweier unterschiedlicher Körper bzw. Stoffe). Und man muss noch die Oberflächenspannung berücksichtigen. Die hat nun wieder was mit Kohäsion zu tun (das ist die Anziehungskraft zwischen den Molekülen ein und desselben Körpers bzw. Stoffes).

Beispiel Ofl1: der energetisch niedrigste Zustand für eine Flüssigkeit ist der mit der kleinsten Oberfläche. Deshalb versucht freies Wasser, die Kugelform anzunehmen - es wirkt aber noch die Erdanziehungskraft, so dass die Tropfenform zustande kommt.

Beispiel Ka1: Man verschütte etwas Kaffe (oder Tee) auf der Untertasse oder auf dem Tisch. Dann nehme man sich ein Stück Würfelzucker aus der Dose und lege es in die Kaffeepfütze. Was passiert? Der Kaffe wird "aufgesaugt" und er steigt innerhalb des Zuckerstückes nach oben. Warum? Die Zuckerkristalle wurden in eine Würfelform gepresst und je nach der Dichte entsteht ein Kapillarsystem, sozusagen die Röhrchen zwischen den Zuckerkristallen. Je nach Dichte des Würfelzuckers sind diese Kapillarröhrchen "größer" oder "kleiner", entsprechend unterschiedlich hoch steigt der Kaffee.

Beispiel Ka2: Man nehme sich verschieden starke Röhrchen, z.B. Trinkröhrchen. Sie sollten halbwegs durchsichtig sein, damit erkennen kann, was sich darinnen abspielt. Nun stelle man diese Röhrchen ins Wasser. Was ist zu beobachten? In den dünnsten Röhrchen steigt das Wasser am höchsten. Natürlich gibt es auch natürliche Grenzen: ist das Röhrchen zu dünn oder zu groß, ist keine Kapillarwirkung festzustellen. Die Erklärung hierfür steht unten in der Ergänzung..

Beispiel Ka3: Familie Sparsam baut ein Häuschen und dabei soll auf einen Keller verzichtet werden. Also wird eine Bodenplatte errichtet. Die ist aus Beton und jeder weiß, dass die Platte aus Beton früher oder später nass ist, wenn man nichts dagegen unternimmt. Also baut man eine Abdichtung darunter. Die soll "für die Ewigkeit" halten, denn erfahrungsgemäß ist es aufwendig, unter eine Bodenplatte eine neue Abdichtung zu bringen. Deshalb muss man das Aufsteigen von Wasser im Sandboden unterhalb der Platte unterbinden. Das macht man, indem man eine kapillarbrechende Schicht einbaut. Das ist Kies und/oder Schotter mit einer so großen Körnung (Größe und Form der Steine), das die Hohlräume dazwischen so große Abstände entstehen lassen, dass das Wasser gar nicht erst aufsteigen kann.

Diese Beispiele sollen genügen, um die Erscheinung der Kapillarwirkung zu erklären. Jetzt wird auch klar, warum der Ziegelstapel auf der Baustelle nass ist, obwohl er gegen Regen abgedeckt wurde und auch, warum das Sockelmauerwerk nass wird, wenn man die untere Abdichtungslage vergisst oder falsch ausführt. Nun wissen wir, wie das Wasser in Stoffe oder Bauteile hineinkommt.

Aber: kommt es auch wieder raus? Jain. Im Prinzip schon, aber bedeutend schwerer. Der Stoff, der das Wasser aufgesaugt hat, will es nicht hergeben. Er hält es in seinen Kapillaren fest. Das ist wie eine Falle: rein geht´ s schnell, raus langsam oder gar nicht. Raus kann das Wasser nur, wenn ein Abtrocknen stattfindet.

Was bedeutet das? Abtrocknen bedeutet, dass die Luft der Umgebung das Wasser aufnehmen kann. Die Voraussetzung dafür ist ein Gefälle: Temperatur und Feuchte der Luft müssen geeignet sein, das Wasser aufzunehmen. Es muss ein Gefälle bestehen, welches die Feuchte zwingt, sich nach außen zu bewegen.

Beispiel Ka4: Jeder kennt das: es hat ewig nicht geregnet, der Boden ist ausgetrocknet. Endlich ziehen ein paar Wolken auf, jedoch entwickelt sich ein regelrechter Wolkenbruch. Macht nix, könnte man sagen, die Erde ist ja ausgetrocknet genug, die nimmt alles auf. Denkste, der Boden ist so knochenhart ausgetrocknet, dass er nicht mehr benetzungsfähig ist. Das heißt, er nimmt das Wasser gar nicht an, so dass es sich auf der Oberfläche sammelt. Also ist eine gewisse Grundfeuchte vonnöten, um eine ordentliche Benetzung zu gewährleisten. Auch das hat was mit Stoffverhalten im mikroskopischen Bereich zu tun.

Ergänzung hierzu: Die Kapillarität ist das Verhalten von Flüssigkeiten in engen Röhren und es kommt darauf an, ob beim Kontakt Energie frei wird oder nicht (Adhäsion). Um die Steighöhe in der Kapillare zu berechnen, muss man das Gleichgewicht zwischen Oberflächenspannung und Schwerkraft auflösen. Der Rand, an dem die Oberflächenkraft angreift, ist der Innen-Umfang des Röhrchens. Man erhält 2 p r * s = r * r2p * h * g. Stellt man die Gleichung nach h um, erkennt man, dass die Steighöhe umgekehrt proportional zum Radius r ist.

Wird bei dem Kontakt der Flüssigkeit mit den Kapillaren Energie frei (Adhäsion), handelt es sich um eine benetzende Flüssigkeit. Von einer vollständigen Benetzung spricht man, wenn sich der Körper über die Eintauchgrenze hinaus mit einer dünnen Schicht der Flüssigkeit auch gegen die Schwerkraft überzieht. Steigt die Flüssigkeit in der Kapillare, macht sie nichts anderes, als dem Prinzip der Oberflächenspannung zu folgen.
06.04.2002, DIMaGB

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Die Diffusion

ist das Durchdringen gasförmiger Stoffe durch feste Stoffe. Wie dem Wasser stehen den Gasmolekülen auch nur die zuvor beschriebenen Zwischenräume zur Verfügung. Allerdings ist die Wirkungsweise eine andere und nicht unbedingt mit der Kapillarwirkung zu vergleichen.

Haben wir es bei der Kapillarwirkung mit der Bewegung von Wasser innerhalb anderer Stoffe zu tun und geht es dabei um einen weitgehend "zusammenhängenden" Stoff (die Wassermoleküle "kleben" aneinander), geht es bei der Diffusion um Gase. Gase sind zwar auch nur Moleküle, aber die sind kleiner als Wassermoleküle und außerdem hängen die nicht so zusammen.

Deshalb kann Gas durch noch viel kleinere Öffnungen kommen, wo sich die Wassermoleküle nicht mehr durchquetschen können. Die Luft ist ein solches Gas, aber auch das Wasser, sofern es als Wasserdampf gasförmig geworden ist.

Beispiel Df1: Wir stellen uns eine Hauswand vor, gemauert mit Mauerziegeln, 36,5 cm dick. Gemauert wurde mit Kalkzementmörtel und es wurden regelgerechte Fugen 10/12 mm ausgeführt. Es handelt sich also, trotz der Mischung von Ziegeln und Mörtel (immerhin ist beides mineralisch), um ein homogenes Bauteil. Von innen dringt Feuchte ein in Form von Wasserdampf. Nicht viel, aber immerhin findet ein Transport durch die Wand nach außen statt. Das ist kein Problem, weil innen und außen mit Kalkmörtel geputzt wurde und die aufgebrachten Farben bilden keinen Film. Auch durch diese Putzschichten gelangt der Wasserdampf ohne Probleme. Irgendwann lässt der Hauseigentümer die Fassade mit einer diffusionsoffenen Farbe streichen. Die Gasmoleküle der Luft kommen da durch, auch die Gasmoleküle des Wasserdampfes. Jetzt kommt ein Riesenproblem: aufgrund der Temperaturverhältnisse hat sich kurz vor der Fassadenfarbe Tauwasser gebildet. Das hat jetzt nichts mehr mit Diffusion zu tun, sondern mit Kapillarwirkung. Aber: die Fassadenfarbe ist nur diffusionsfähig, ein kapillares Ableitvermögen hat sie nicht. Sie hält das Kapillarwasser gefangen, weil die Membran der Farbschicht nicht benetzungsfähig ist, bis dieses sich wieder in Wasserdampf umwandelt, der durch kommt. Aber: was für ideale Bedingungen müssten das sein, dass sich daraus Wasserdampf bildet? Die Folge ist, dass sich trotzt der Diffusionsoffenheit der Farbe Wasser ansammelt und früher oder später zu Absprengungen an der Fassade führt (Risse, Fladen, Putzabplatzungen, Hohlstellen, der "Pellkartoffeleffekt").

Beispiel Df2: Dicht muss nicht gleich dicht sein. Jeder weiß, dass man mit Bitumenpappen z.B. eine Flachdachabdichtung herstellen kann. Klar, die soll verhindern, dass Regenwasser in das Gebäude eindringt. Eine Unterspannbahn (zwischen Sparren und Lattung unter den Ziegeln angeordnet) soll Wind abhalten und sie stellt eine zusätzliche Sicherung gegen Wasser dar. Beide haben gemeinsam, dass sie kein Wasser von oben nach unten durchlassen. Aber wussten Sie auch, dass beide Wasser von unten nach oben durchlassen? Die abdichtende Wirkung gegen Wasser betrifft nur den flüssigen Zustand, ist Wasser gasförmig, kommt es sogar bei einer Bitumen- oder bei einer Kunststoffbahn durch! Wer das nicht beachtet und für eine nicht hinterlüftete Flachdachkonstruktion (von oben nach unten: Bitumenbahnen, Dachschalung, Luftraum, Mineralwolle, Dampfsperre, Gipskartonplatten) zwar eine Wärmedämmberechnung, aber keine Dampfdiffusionsberechnung nach DIN 4108 T. 5 anstellt, braucht sich nicht wundern, wenn Wasser im Bauteil verbleibt. Nimmt man aber eine EPDM-Abdichtungsbahn statt der bituminösen Abdichtung, kann das diffusionsoffen genug sein, dass die Tauwasserbildung unterbleibt.

Dieses Maß, das den Unterscheid ausmacht, ist die Diffusionswiderstandszahl m, ebenfalls ein wärmetechnischer Kennwert nach DIN 4108 T.4. Der Rechenwert der Diffusionswiderstandszahl mR wird ohne Einheit angegeben. Je nach Produkt (die genauen Daten hat der Hersteller mit den "Technischen Blättern" anzugeben) weiß man dann, womit man zu rechnen hat: Mineralwolle: 1, Polystyrol 20 -100, Normalbeton 70 -150, PVC-Folie bis 50.000, Bitumendachbahn bis 80.000. Aluminium-Folie mit d > 0,05 mm ist praktisch dampfdicht. Auch bei PE-Folien gibt es Unterschiede, man muss zwischen Dampfsperre und Dampfbremse unterscheiden.

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Die Wärmemenge

Die Wärmeleistung wird in W (Watt) gemessen (1.000 Watt = 1 Kilowatt = 1 kW). Der Name der Einheit kommt vom Engländer James Watt, also aus Zeiten der ersten Dampfmaschinen. Ihre Entsprechung findet sie in den physikalischen Größen Arbeit und Leistung.

Bei der Wärmemenge - am häufigsten angegeben in kWh - geht es ganz banal um die Frage: wie viel Energie muss ich aufwenden, um z.B. 10 l Wasser von 16 °C auf 100 °C aufzuheizen? Anders gesagt: wie viel Energie muss ich in einen gewissen Stoff "hineinpumpen", um ihn auf ein höheres Energieniveau zubringen? Oder anders rum: wie viel Energie gibt eine gewisse Menge eines Stoffes ab, wenn er am auskühlen ist?

Die Wärmemenge Q ist ein Maß für die in einem Körper enthaltene Wärme (Energie), ihre Einheit ist das Joule (J). Um ein Liter Wasser von 14,5 °C auf 15,5 °C zu erwärmen, muss man 4.186,8 J einsetzen.

Diese Fragen werden noch mal interessant, wenn es um Dämmung und Speichervermögen geht.

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Die Wärmeleitung

ist an Stoffe gebunden. Sie beschreibt eine Form des Energietransportes. Lassen Sie uns den wesentlichen Vergleich rekapitulieren: Temperatur kennzeichnet den Energiezustand (wie stark schwingen die Moleküle des betrachteten Stoffes?) und Wärme ist etwas mehr als Temperatur, weil hier weitere Kenngrößen einfließen, siehe oben bei Wärmemenge.

Wärmeleitung ist die direkte Wärmeleitung in einem Stoff bzw. Körper. Sie kommt durch die Molekülstöße zustande, ohne dass ein Materialtransport stattfindet (was jedoch bei der Konvektion der Fall ist).

Während die Wärmeleitzahl die Stärke des Wärmestroms bei einem vorgegebenen Temperaturunterschied beschreibt, charakterisiert die Temperaturleitzahl die Geschwindigkeit, mit der sich die Temperaturänderung in einem Körper ausbreitet.

Der Wärmetransport tritt fast immer in der Einheit von Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung auf. Man kann sagen, diese 3 Formen des Wärmetransportes sind untrennbar miteinander verbunden und sie treten (fast) immer gleichzeitig auf. Sobald man anfängt, eins davon auszuklammern, entfernt man sich mit seiner modellhaften Betrachtung von der Realität.

Wärmestrahlung wird heutzutage leider zu oft unter den Tisch gekehrt, sie wird weiter unten erklärt: Die Strahlungswärme / Wärmestrahlung. Sir Isaac Newton hat als "Abkühlungsgesetz" formuliert: jeder Körper kühlt in einer kälteren Umgebung ab. Umgekehrt erwärmt er sich, wenn ihm aus der Umgebung mehr Energie zugestrahlt wird, als er selbst abstrahlt.

Beispiel Wl1: Nehmen wir eine simple Sache, den Kachelofen. Im Inneren erzeugt der Verbrennungsvorgang Wärme. Die wird von den Schamottesteinen aufgenommen und infolge Wärmeleitung bis an die Oberflächen der Kacheln transportiert. Hier erfolgt jetzt eine Abgabe an die Umgebung: kühlere Luft erwärmt sich an der heißeren Kachelfläche und sie steigt nach oben. Wichtiger ist jedoch die abgegebne Wärme in Form der Strahlungswärme / Wärmestrahlung. Die breitet sich gleichmäßig in alle Richtungen aus und sie erwärmt alle Gegenstände gleichermaßen, dabei benötigt sie nicht die Luft im Raum um übertragen zu werden. Der Anteil der Strahlung überwiegt beim Kachelofen gegenüber der Konvektion (beim Heizkörper ist es andersrum).

Beispiel Wl2: Die Luft ist ein schlechter Wärmeleiter, deshalb dämmt eingeschlossene Luft, indem sie den Wärmefluss herabsetzt. Stehende Luft lässt nur Wärmeleitung zu, bewegte Luft führt zu Konvektion. Beispiele für eingeschlossene Luft: Baustoffe wie Mineralwolle, Styropor, Gasbeton, Ziegel, aber auch Anoraks, Federbetten, Pullover und andere Kleidungsstücke. 5 Pullover übereinander dämmen besser als ein fünffach dicker Pullover.

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Die Wärmeleitfähigkeit

ist eine energetische Stoffkenngröße. Der Wärmeleitfähigkeitswert lR wird in W/(mK) gemessen (Watt je Meter und Kelvin). Die Bedeutung der einzelnen Größen ist wie folgt zu verstehen: K als Einheit für die Temperaturdifferenz, z.B. drinnen +22°C und draußen -15°C ergeben 37 K. m steht für Meter, also die Strecke, die "die Wärme" aufgrund des Temperaturgefälles von innen nach außen, z.B. durch die Außenwand, zurücklegt. Das sind dann eben 36,5 cm für eine 36,5er Wand bzw. 0,365 m. W steht für Watt und es kennzeichnet die Wärmemenge.

Der Wärmeleitfähigkeitswert lR ist eine idealisierte Größe, das Modell wird so gebildet: 1 Watt Wärmemenge auf 1 m zu durch fließenden Stoff bei einem Temperaturgefälle von 1 K. Das bedeutet: je kleiner der l-Wert ist, desto höher kann die Temperaturdifferenz sein oder desto dünner kann z.B. die Außenwand sein. Aber: je nach Anwendungsgebiet des Stoffes soll die Wärmeleitfähigkeit klein oder groß sein. l ist das kleine griechische l und heißt Lambda.

Definition nach DIN 4108: Die Wärmeleitfähigkeit l gibt die Wärmemenge an, die im stationären Zustand durch eine Fläche von 1 m2 fließt, wenn senkrecht dazu ein Temperaturgefälle von 1 K/m herrscht. lR ist der Rechenwert der Wärmeleitfähigkeit. Angegeben wird die Wärmeleitfähigkeit eines trockenen Baustoffes.

Beispiel Wlf1: Nehmen wir der deutschen liebstes Kind, das Auto, da kann jeder mitreden. Jeder kennt aus diversen Kino- und TV-Schinken das liegen gebliebene Vehikel, wo es vorn dampft und zischt: der Kühler ist kaputt gegangen. Wo bei älteren Modellen noch Wasser durch das Kühlsystem läuft (dem man im Winter ein Frostschutzmittel zusetzen sollte), ist das bei neueren Fahrzeugen "das Kühlmittel". Das vermag viel schneller als das Wasser, dem Motor die Hitze (das ist jede Menge Wärmemenge) abzunehmen und diese in den Kühlerlamellen an die Luft abzugeben. Hier ist also eine sehr gute, das heißt schnelle Wärmeleitfähigkeit erwünscht. Um Speichervermögen geht es dabei auch, kennzeichnend dafür ist die spezifische Wärmekapazität c, die für Wasser bei Raumtemperatur 4,182 kJ/kgK beträgt und 4x so hoch ist wie die von Luft.  Wärmekapazität: eine wie große Wärme-menge kann man in 1 kg des Stoffes hineinpacken, wenn er um 1 K erwärmt wird?

Beispiel Wlf2: Dass Töpfe, Tiegel und Pfannen aus Metall sind, ist kein Zufall. Der Sinn besteht ja auch darin, schnell und ohne große Verluste die an der Unterseite erzeugte Wärmemenge (Gasflamme, Herdplatte, Ceranfeld) an das zu erhitzende Gut (Suppe im Topf, vegetarische Bulette in der Pfanne) heranzuführen. Allerdings mag man diese gute Wärmeleitfähigkeit des Metalls nun gerade am Griff nicht. Also macht man den aus Holz oder aus Kunststoff, beides schlechte Wärmeleiter.

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Wärmedurchlasskoeffizient und -widerstand

Der Wärmedurchlasskoeffizient L ist nichts weiter, als die Wärmeleitfähigkeit bezogen auf eine praktische Dicke eines Stoffes. Also kommt ganz einfach unter den Bruchstrich ein m dazu und aus Meter wird m2, weil man 1/(s/lR) rechnet.

Besteht eine Wand aus mehreren Schichten, sind mehrere Einzelwerte auszurechnen und einzubeziehen, dazu benötigt man von jeder einzelnen Schicht die Dicke s in m und den Wärmeleitfähigkeitswert lR in W/(mK). Man rechnet für jede Schicht den Wert s/lR aus (das ist der jeweilige Wärmedurchlasswiderstand 1/L in m2K/W).

Neu ist: aus L mach R. (L ist das große L im Griechischen, Lambda ausgesprochen)

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Wärmeübergangskoeffizient und -widerstand

Der Wärmeübergangskoeffizient a bezieht sich auf den Wärmemengenübergang zwischen dem festen Stoff (z.B. die Außenwand) und einem Wärmeträger (flüssig oder gasförmig, in der Regel natürlich gasförmig, nämlich die Raumluft und die Außenluft). Der Wärmeübergangskoeffizient a wird in W/m2K angegeben.

Der Wärmeübergangswiderstand ist 1/a und somit der reziproke Wert des Wärmeübergangskoeffizienten a (man dreht einfach den Bruch um, das griechische a heißt Alpha).

Beispiel Wügw1: Dass der sog. Wärmedurchlasswiderstand von Bauteilen (Term: 1/gr. Lambda), aus der der Wärmedurchgangskoeffizient k(DIN)- bzw. U(ISO)-Wert abgeleitet wird, baupraktisch eine geradezu närrische Rechengröße ist, geht schon aus deren genormter Ermittlung gem. DIN 52611 hervor. Demnach wird in einer genormten "Versuchsdurchführung" ein "geregelter Heizkasten" in einem "Schutzraum" an den "Probekörper" (Mindestgröße 1x1 m, Regelgröße 1,5x1,5 m) angebracht, in dem mittels elektrischem Heizdraht als "Heizquelle" die Innenluft in "örtlicher und zeitlicher Konstanz" erwärmt wird.

Bei "Proben mit grobporöser Oberfläche sind deren Oberflächen mit einer möglichst dünnen Schicht eben und glatt abzugleichen. Zur Vermeidung einer Luftströmung durch die Probe sind die Oberflächen entsprechend abzudichten." Gemessen wird nach Einstellung des sog. stationären Zustands die Lufttemperatur und die Oberflächentemperatur des Prüfkörpers sowie die verbrauchte Energie, aus der dann der Wärmestrom bestimmt und der Wärmedurchlasswiderstand berechnet wird. Normgemäß müssen gem. 4.1.3 "alle wärmeerzeugenden Einbauten im Heizkasten wie Heizkörper (Heizquelle), Ventilatoren usw. gegen die Probenoberfläche und die Heizkastenwände strahlungsgeschützt sein." und gem. 4.4.1 "Die (Temperatur-) Messfühler müssen vor störenden Strahlungseinflüssen geschützt werden." Folglich wird normgemäß nur ermittelt, wie erwärmte Luft ihre Wärmeenergie in die Oberfläche des Probenkörpers abgibt. Eine hochgradig spannende und die Bauphysikinstitute äußerst einträglich belohnende Angelegenheit von bauwissenschaftlich größtanzunehmender Wichtigkeit! Messwerte auf mindestens drei Nachkommastellen - denn darauf kommt es an!

Dass nun bei einem Massivbaustoff gigantisch viele Moleküle bereitstehen, um von den auftreffenden energetisch aufgeladenen und sich entsprechend schnell bewegenden Luftmolekülen Bewegungsenergie = Temperatur abzunehmen, ist klar. Und entsprechend nehmen bei Leichtbaustoffen viel weniger Oberflächenmoleküle den Warmluftmolekülen die Energie ab. So weit, so gut. In Leichtbaustoffe verliert also erwärmte Luft deutlich weniger schnell Energie, als in Massivbaustoffe. Schon gewusst? Dann sind Sie kein Bauphysikdepp.

Wie sieht aber die Situation in einem geheizten Raum aus? 20 qm mit 2,5 m Raumhöhe haben 50 cbm beheiztes Luftvolumen. Das sind (1 cbm Luft wiegt ein Kilogramm) also 50 Kilogramm Heißluft. Die sind mit wenig Energie schnell erwärmt. Aber die Wände und Decken! Sechs Raumum-schließungsflächen mit (unter Freuden geschätzt) 10 cm mit geheizte Materialstärke und z. B. 1000er Rohdichte je cbm wiegen bei 5 x 4 m Raumzuschnitt: (5 x 4 x 2 x 2,5 (Wandflächen) + 5 x 4 x 2 (Wand- + Bodenfläche)) x 0,1 (Konstruktionsstärke) x 1000 (Rohdichte) = 14.000 Kilogramm Gewicht, also 14 Tonnen (habe ich wirklich selbst errechnet!)! Die sind nun erst mal aufzuwärmen, das verschlingt haufenweise Energie.

Mehr dazu finden Sie auf der Seite von Konrad Fischer zu den U-Wert-Narreteien.

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Wärmedurchgangskoeffizient und -widerstand

Die einzelnen Wärmedurchlasswiderstände werden addiert und man rechnet 1/ai + 1/aa hinzu. Nun rechnet man 1 durch diesen Summenwert und erhält den k-Wert in W/m2K.

Der Wärmedurchgangswiderstand ist nichts weiter als der reziproke Wert des Wärmedurchgangskoeffizienten, also 1/k (man dreht einfach den Bruch um).

Beispiel Wd1: Im Dezember 2001 präsentiert Fa. Hebel stolz Ihren neuen Planstein PPW2-0,35 mit dem sagenhaften l-Wert von 0,09 W/(mK). Trara-trara, die Schallmauer von 0,1 ist durchbrochen. Bei einer Wanddicke von 30 cm kommt auf einen Wärmedurchgangskoeffizienten von 0,28 W/(m2K).

Wie rechnet man?

Wärmeleitfähigkeitswert lR = 0,09 W/(mK)
Wandstärke s = 0,30 m
Wärmedurchlasskoeffizient L = 1 / (s / lR) = 1 / (0,30 m / 0,09 W/(mK)) = 0,30 W/m2K
Wärmedurchlasswiderstand 1/L = 1 / 0,30 = 3,33 m2K/W
Wärmeübergangswiderstände 1/ai + 1/aa = 0,13 + 0,04 = 0,17 m2K/W
Wärmedurchgangskoeffizient k = 1 / ( 1/ai + 1/L + 1/aa) = 1 / (0,13 + 3,33 + 0,04) = 1 / 3,50
Wärmedurchgangskoeffizient k = 0,28 W/m2K

Diese Berechnung wird uns durch die DIN 4108 vorgegeben. Neu ist: aus k mach u.

Wie ist das zu werten? Würde ich Geld dafür bekommen, würde ich Ihnen jetzt sagen: je besser bzw. kleiner der Wärmeleitfähigkeitswert lR desto besser bzw. kleiner der Wärmedurchgangskoeffizient k, den wir nun u nennen. Also müssen wir dämmen auf Teufel komm raus, um der Umwelt zuliebe Energie einzusparen. Parallel müssen wir die Gebäude hermetisch machen und zum Ausgleich moderne Lüftungsanlagen einbauen. Damit reduzieren wir den immensen Beitrag der Gebäudebeheizung an der Umweltverschmutzung und retten das Weltklima. Weiterhin würde ich Ihnen erzählen, dass das alles zwar ein bisschen mehr kostet (natürlich ohne konkrete Werte zu nennen) und dass sich trotzdem "alles rechnet".

Da ich nicht gesponsert werde, sage ich Ihnen: Wenn man das Verhalten von Stoffen und Bauteilen so einseitig betrachtet, wie es im Rahmen der EnEV geschieht, entsteht ein Wettkampf um immer bessere l- oder k- oder u-Werte und man lässt solche Größen wie Zeit und Speichervermögen einfach weg (als wenn es diese Größen plötzlich nicht mehr gäbe).

Es wird ja in den Definitionen der oben genannten Größen nach DIN 4108 kein Hehl daraus gemacht, dass es sich um eine Betrachtung im stationären Zustand handelt. Die Formulierungen " ... gibt die Wärmemenge an, die in einer Stunde ... " dürfen nicht hinwegtäuschen, dass dennoch der Faktor Zeit weitgehend ignoriert wird.

Das ist genauso ein Humbug, wie die Leistungsangaben bei elektrischen Haushaltsgeräten in W/h. Wenn Ihnen z.B. in der Werbung gesagt wird, die Waschmaschine hat eine Leistung von 750 W/h, dann ist das ausgemachter Blödsinn. Unterstellen wir eine kontinuierliche Leistungsaufnahme, dann haben wir diese 750 Watt in dieser einen Stunde, in einer Woche, im nächsten Monat und immer wenn die Waschmaschine läuft.

750 Watt bedeuten 750 W elektrische Leistungsaufnahme, das sind bei 250 Volt 3 Ampere Stromstärke (weswegen ein separater Stromkreis sinnvoll ist, wenngleich auf 10A bzw. 16A abgesichert ist). Läuft diese Waschmaschine im Jahr 1.000 Betriebsstunden kommen Sie auf einen Stromverbrauch von 750 W x 1.000 h = 750 kWh - und nur das ist ein Wert, mit dem Sie was anfangen können (x30 Pf./kWh = 225 DM).

Merke: der Faktor Zeit ist berücksichtigt, wenn man das auch an den Einheiten erkennen kann. Auch wenn man für 1 W = 1 N x m/s schreiben kann, ist das nur die halbe Wahrheit. Solange Strahlungsvorgänge und Speicherwirkungen ignoriert werden, ist das nur die halbe Wahrheit.
 

Beispiel W1: Ein weit bekanntes Phänomen beim Dachgeschossausbau ist der Umstand, dass es im Sommer drückend heiß ist, obwohl richtig schön dick gedämmt ist. Erst die Nachtstunden bringen Linderung? Woran liegt das? Bei 16 oder 20 cm Mineralwolle (super u-Wert!) müsste es doch eigentlich kühl sein, denn genauso wie die Dämmung im Winter die Wärme nicht heraus lässt, dürfte sie doch im Sommer keine reinlassen.

Bevor wir zur Antwort kommen, möchte ich noch ein Beispiel aus dem persönlichen Erleben einfügen, weil es gut zum Thema passt. Ich wohne in einer Dachgeschosswohnung, ohne im Sommer mehr zu leiden. Das liegt weniger an der Mineralwolledämmung, weil es die bei jedem Dachgeschoss gibt. Das liegt aber an der besonderen Konstruktion: die Dachhaut ist ganz gewöhnlich: Dachsteine mit Unterspannbahn auf einer Lattung, darunter ein Luftraum und dann kommt die Dämmung. Die liegt aber nicht zwischen Sparren, sondern auf einer Stahlbetonhülle, welche mit einer Stärke von 12 cm die gesamte Dachgeschosswohnung überspannt. Sie kommt in der Abseite 1,05 m senkrecht hoch, verläuft dann ca. 60° schräg und geht dann in die Horizontale der Decke über. Auf eine Grundfläche von rd. 75 qm kommen so rd. 65 qm Betondecke und Hüllwände mit einem Gesamtumfang von ca. 44,50 m. Das bedeutet bei einer unterstellten Dicke der Wände und der Deckenplatte von 12 cm, dass die Wohnung von insgesamt 20 cbm Stahlbeton umhüllt ist. Das ist eine Speichermasse, die dafür sorgt, dass das Raumklima behaglich ist (wenn man nicht so duselig ist und die Fenster tagsüber offen und die Jalousien oben lässt). Das vermag, trotz hervorragender Dämmwerte, keine noch so dicke Dämmung.

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Lüften, relative Luftfeuchte, Sättigungswasserdampfgehalt

Wozu lüftet man? Eine Luftwechselrate ist sicherzustellen, ggf. muss die Heizungsanlage Frischluft für die Verbrennung erhalten. Dieses Problem muss auch ohne raumlufttechnische Anlage (RLT) zu lösen sein.

Bereits vor 130 Jahren wurde der CO2-Gehalt in der Luft als Maßstab der Raumluftqualität erkannt. Die maximale Konzentration von 0,1 % ist ein in Deutschland und anderen europäischen Staaten anerkannter Grenzwert.

Die erforderliche Luftwechselrate ergibt sich aus der Anzahl der Personen und deren Tätigkeit: Schlafen/Ruhe erfordert 17 - 21 m3/h Frischluft, Lesen/Fernsehen 20 - 26, Schreibtischarbeit 32 - 42, Hausarbeit 55 - 72, Handwerken 90 - 130. Je nach Aktivität liegt die Frischluftrate bei erwachsenen zwischen 10 und 75 Liter pro Stunde. In einem 4-Personen-Haushalt wird demnach eine Frischluftmenge von 2.000 - 3.000 m3 benötigt.

Hat das Gebäude ein zu beheizendes Luftvolumen von beispielsweise 310 m3, folgt daraus ein erforderlicher Luftwechsel von 6,5- bis 10-fach am Tag, also alle 4 bis 2,5 Stunden einmal komplett die Luft ausgewechselt.

Ein weiterer Grund für das Lüften ist die erforderliche Entfeuchtung. Der Mensch gibt im Schlaf 40-50 g/h Feuchtigkeit ab, bei Haushaltsarbeit ca. 90 g/h und bis 175 g/h bei anstrengenden Tätigkeiten. 400-600 g/h gehen beim Kochen und Braten in die Raumluft, die Waschmaschine gibt 200-350 g je Waschgang ab. Beim Wannenbad entstehen ca. 1100 g und beim Duschen ca. 1700 g. Eine Topfpflanze gibt um die 15 g/h ab.

Anhand dieser Streuungen erkennt man, dass eine genaue Berechnung des Lüftungsbedarfs gar nicht möglich ist. Die Berechnungsvorschriften der RLT nehmen Erfahrungswerte, die aber allemal neben dem tatsächlichen Bedarf liegen. Zumal ist das Weglüften von Feuchte jahreszeitlich unterschiedlich.

Insofern darf das Lüften nach Bedarf auch noch im Hightech-Zeitalter Bestand haben. Oft noch sind die einfachen Methoden die wirksamen und für kaum jemanden dürfte es verwunderlich erscheinen, nach dem Baden das Fenster vorübergehend zu öffnen. Bekanntermaßen ist die Dauerlüftung mittels Kippstellung der Fenster von Mai bis September sinnvoll und weit verbreitet.

Der Sättigungswasserdampfgehalt ist nichts weiter als der Wassergehalt in g von 1 cbm Luft bei 100 % rel. Luftfeuchte. 100 % rel. Luftfeuchte bedeutet, mehr vermag die Luft bei einer bestimmten Temperatur nicht an Wasser aufzunehmen (d.h. an Wasserdampf zu binden). Das geht von 9,39 g/m3 bei 10 °C Lufttemperatur bis 30,35 g/m3 bei 30 °C Lufttemperatur.

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Kondensation: Tauwasserbildung

Bei Temperaturen über 0°C beginnt Eis und Schnee zu tauen. Tauwasser aber entsteht auch bei höheren Temperaturen. Man benötigt einen luftgefüllten Raum mit einer Lufttemperatur und einer relativen Luftfeuchte. Dazu nimmt man einen Stoff oder Körper mit der Taupunkttemperatur, die natürlich unter der Raumtemperatur liegt. Diese Taupunkttemperatur ist in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchte und der Lufttemperatur unterschiedlich hoch. Wird sie erreicht und unterschritten, kommt es zur Tauwasserbildung.

Beispiel Tw1: Bei einer Lufttemperatur im Wohnzimmer von 23 °C und einer rel. Luftfeuchte von 70 % entsteht an den Fenstern Tauwasser, wenn diese eine Temperatur von 17,2 °C unterschreiten. Bei ebenfalls 23 °C Lufttemperatur, aber nur 40 % rel. Luftfeuchte, müssten 8,7 °C unterschritten werden.

Beispiel Tw2: Im Badezimmer ist das Fenster verrammelt, der Heizkörper hochgedreht und Hänschen und Fränzchen toben in der Badewanne: Lufttemperatur 25 °C, rel. Luftfeuchte 90 %. Es genügt jetzt, 23,2 °C zu unterschreiten, damit sich Tauwasser bildet. Das sind alle "kalten" Metalloberflächen wie der Wasserhahn, aber auch der Spiegel (der ist beschlagen, die Tauwassertröpfchen haben ihn blind gemacht). Aber selbst die Badezimmermöbel mit ihren "kalten" Oberflächen haben einen Feuchtefilm, es hat sich Tauwasser gebildet.

Beispiel Tw3: Sie besuchen den botanischen Garten und gehen in das Haus mit den Pflanzen des subtropischen Regenwaldes. Feuchtwarme Luft schlägt Ihnen entgegen, es versetzt Ihnen erst mal den Atem. Die Brille ist sofort angelaufen, dass Sie nicht mehr durchsehen. An allen Ecken und Enden tropft es: Tauwasser. Bei einer rel. Luftfeuchte von 95 % genügen bei 29 °C Lufttemperatur bereits 28,1 °C zu unterschreitende Taupunkttemperatur.

Beispiel Tw4: Hans Besserwiß ist Häuslebauer, es ist mittlerweile Sommer geworden und die Sonne "brummt" nach einem Gewitter wieder, 28 °C und 100 % rel. Luftfeuchte. Damit die im Frühjahr rein geregneten Wassermassen wegtrocknen, reißt er alle Öffnungen auf. Im Keller ist es dunkel, kühl und feucht, die Außenluft soll die Feuchte aufnehmen. Das macht sie aber nicht. Sie dringt in die geöffneten Kellerfenster ein und kühlt sich unten auf 19 °C ab. Mit jedem Kubikmeter Außenluft, der in den Keller kommt, werden knapp 11 g Wasser eingetragen.

Das sind allesamt halbwegs praxisnahe Beispiele, aber keine komplizierte Berechnung steckt dahinter. Die Werte liest man aus der Taupunkttabelle ab. Die enthält die Taupunkttemperaturen und die Werte für den Sättigungsdampfgehalt - in Abhängigkeit von Lufttemperatur und rel. Luftfeuchte.

taupttab2.gif (29038 bytes)

Beispiel Tw5: Wann kommt es zu Tauwasserbildung (Lufttemperatur = 22° C, rel. Luftfeuchte = 65%)?
Ablesung im Kreuzungspunkt Zeile (22) - Spalte (65) = 15,1 °C, das heißt bei einer Temperatur von 15,1 °C bildet sich Tauwasser aus, es kondensiert der Wasserdampf (Luftfeuchte) an der kühleren Oberfläche (Wand, Spiegel, Wasserhahn, Fenster).

Beispiel Tw6: Wie viel Wasserdampf ist in 1 m3 Luft bei 22 °C bei 100% rel. Luftfeuchte enthalten? Wie viel Tauwasser bildet sich, wenn diese Luft auf 18 °C abkühlt?
Ablesung rechts in Zeile (22) = 19,4, das heißt 1 m3 Luft enthält 19,4 g/m3 Wasserdampf.
Ablesung rechts in Zeile (18) = 15,4, das heißt 1 m3 Luft enthält 19,4 g/m3 Wasserdampf.
Differenz = 4,0 g/m3, das heiß es bilden sich je m3 Luft 4 g Tauwasser.

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Das Speichervermögen

ist das Vermögen eines Stoffes, Energie zu speichern. In der praktischen Anwendung bedeutet das, dass Prozesse des Auskühlens (also Wärmeabgang vom höheren zum niederen Niveau) unterschiedlich schnell, besser: langsam, ablaufen.

Beispiel Sp1: Hans und Franz trinken Tee. Hans hat Stil und nimmt ein schickes Teeglas, schön filigran mit dünnem Henkel. Franz benutzt seinen Kaffeepott aus Keramik. Mal vom Stil des Teetrinkens abgesehen: Hans hat als erster einen heißen Henkel und er muss sein Teeglas erst mal abstellen. Dafür muss er aber auch aufpassen, wenn er seinen Tee heiß trinken will. Der wird nämlich in dem dünnen Glas relativ schnell kalt. Das Glas leitet schnell die Wärme des Tees nach außen, wo sie an die Umgebungsluft abgegeben wird. Franz muss hingegen aufpassen, dass er sich nicht noch nach 10 Minuten den Schnabel verbrüht. Sein dicker Pott hat zwar viel Wärme vom Tee aufgenommen, aber er gibt sie nicht so schnell ab wie das Glas. Er speichert die Wärme.

Beispiel Sp2: Viele Haushalte benutzen zum Kochen ein Ceranfeld. Mit ein bisschen Erfahrung kommt man dahinter, wie man energiesparend Restwärme nutzt. Schaltet man die Herdfläche aus, wird sie nicht schlagartig kalt. das Ceranfeld speichert eine gewisse Energiemenge, die sie dann über die Kontaktfläche (Topfunterseite) weitergibt.
Nun zur Preisfrage. Wenn hier die gespeicherte Wärme positiv auf die Energiebilanz wirkt, warum sollte man dieses Prinzip nicht auch auf eine sonnenbeschienene Wand anwenden? Selbst im Winter kann die Wandoberfläche außen wärmer sein als innen - wie kann da ein Wärmestrom von innen nach außen stattfinden? Der erfolgt doch immer vom hören zum niedren Wert (Gefälle). Es erfolgt demnach ein Wärmestrom von außen nach innen - und egal ob von dieser Wärmemenge etwas an der inneren Wandoberfläche ankommt oder nicht, ein Bilanzgewinn muss zu verbuchen sein.

Weitere Kenngrößen:

  • Wärmeeindringzahl
  • Auskühlzeit
  • Temperaturträgheit

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Die Strahlungswärme / Wärmestrahlung

ist etwas anderes als die Konvektion, auch wenn es etwas mit der Bewegung von Wärmemengen vom höheren zum niederen Niveau zu tun. Auch hierbei werden Stoffe aufgewärmt, denn es geht ja darum, dass Temperaturen in der Umgebung des Menschen geschaffen werden, die ihm angenehm sind. Man spricht von Behaglichkeit.

Die Idee ist alt wie die Menschheitsgeschichte, die Römer waren die Erfinder der Heizung mittels Strahlung. Die haben heiße Luft aus dem Ofen durch Kanäle im Fußboden geführt, dort hat die Luft die Wärme abgegeben und der Fußboden hat die Wärme dann an den Raum abgestrahlt.

Diese Strahlung kann man mit der der Sonne vergleichen, wenngleich die Intensität sich wesentlich unterscheidet (die Sonne: Millionen bzw. tausende °C - die Raumtemperatur: 20-24 °C). Sie benötigt auch nicht die Luft, um die Wäre weiterzugeben. Die Strahlen breiten sich von der abstrahlenden Fläche überallhin aus, und der Stoff oder Gegenstand, der sich gerade im Weg befindet, wird angestrahlt, das heißt er bekommt die Wärme ab.

Die Luftmoleküle werden angestrahlt, der Schrank, der Tisch, die Wand, aber auch die Menschen. Mit Ausnahme des Menschen, der ja selbst Wärme produziert (im Durchschnitt 80 Watt; also gibt der Mensch soviel Wärme ab, wie eine ständig brennende Glühlampe) haben daher alle Gegenstände und Stoffe, die mittels Strahlung erwärmt werden, eine einheitliche Temperatur. Diese Ausgewogenheit ist der Grund dafür, dass sich die Behaglichkeit eher einstellt, es werden schon 20 °C als warm empfunden.

In diesem Zusammenhang muss ich noch einen Begriff nennen: die Solarkonstante. Die Sonnenstrahlung hat in Erdentfernung noch eine Intensität von 1,353 kW/m2. Diese Größe wird als Solarkonstante bezeichnet.

Beispiel Sk1: Die Erde umkreist die Sonne in einem mittleren Abstand von 150.000.000 km. Deshalb bekommt sie von der ungeheuren abgestrahlten Menge von 4 * 1026 J / s nur ein Bruchteil ab, nämlich die als Solarkonstante bezeichneten 1,353 kW/m2. Die Erde hat einen Durchmesser von etwa 12.400 km, somit beträgt die Fläche, auf der die Erde die Sonneneinstrahlung auffängt rd. 120 Mio km2. Das entspricht einer eingestrahlten Leistung von 1,2 * 1014 * 1,35 103 W = ca. 1,6 *1014 kW.

Beispiel Sk2: Kommen aber diese 1,353 kW/m2 auch unten an, z.B. auf einer Hauswand? Das kann man sich bei bewölktem Himmel selbst an Sommertagen nicht vorstellen. aber kommt dann gar nichts an? Nun, das ist auch nicht vorstellbar.

Um Doppelungen zu vermeiden, verweise ich auf folgende Diagramme zu Bestrahlungsstärken, Strahlungssummen, Globalstrahlung und Wärmefluss. Hier geht es um gemessene Werte und Sie erfahren etwas über direkte Einstrahlung und Globalstrahlung.

Beispiel Str1: In den Berechnungen gem. EnEV sind auch solare Gewinne zu berücksichtigen. Nach EnEV gibt es solare Gewinne nur durch die Fenster. Um die zu berechnen, wurden folgende Werte für die solare Einstrahlung verordnet:

Orientierung SO - SW NW - NO übrige Dachfenster
Neigung < 30°
Solare Einstrahlung in kWh/m2a 270 100 150 225

Die Fläche der Fenster Ai mit der Orientierung j (Süd, West, Ost, Nord und horizontal) ist nach den lichten Fassadenöffnungsmaßen zu ermitteln (das heißt: Fläche = Glas + Rahmen).

Beispiel Str2: Um eine Vorstellung von der Strahlung zu erhalten, soll hier kurz beschrieben sein, worum es sich handelt. Alltagsbezeichnungen kennen wir alle: Sonnenstrahl, UV-Strahlung, Licht, Röntgenstrahlung usw. usf. Aber was bedeutet das?

Es geht um elektromagnetische Strahlung, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Es besteht ein Zusammenhang zwischen Frequenz f und Wellenlänge l, weil f * l = c (c = Lichtgeschwindigkeit).

Außerdem besteht noch der Zusammenhang Welle-Teilchen-Energie. Deshalb kann man das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung in Frequenz [ 1/s ], in Photonen-Energie [ eV ] und in Wellenlänge [ m ] angeben. Die zeichnerische Darstellung ist eine Wellenlinie (Sinuskurve) entlang eines Strahls.

Strahlung Wellenlänge Energie Frequenz
langwellig niedrigenergetisch niedrigfrequent
Radiowellen LW - KW 10 km - 10 m 30 kHz - 30 MHz
Mikrowellen cm-Wellen 10 cm - 1 cm 3 Ghz - 30 Ghz
Wärmestrahlung mm-Wellen 1 cm - 1 nm 30 GHz - 300 Ghz
Infrarot IR 1 mm - 750 nm ~ 1,0 eV
sichtbares Licht 750 nm - 380 nm 1,6 - 3,2 eV
Ultraviolett UV 380 nm - 1 nm 3,2 eV - 1 keV
Röntgenstrahlen 10 nm - 1 pm 0,1 keV - 1 MeV
kurzwellig hochenergetisch hochfrequent

Das soll genügen, auch wenn das elektromagnetische Spektrum viel größer ist. Wesentlich ist: auch Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung, genauso sichtbares Licht und beide kennzeichnen je einen bestimmten Bereich des Spektrums.

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Die Konvektion

ist eine Form der Materialvermischung. Der Wärmetransport ist also gleichzeitig mit einem Stofftransport verbunden (was bei der Wärmeleitung nicht der Fall ist).

Beispiel Ko1: Die Konvektion ist eine Erscheinung, die den heutigen Standard beim Heizen einer Wohnung beschreibt. Unter Zuhilfenahme einer Heizungsanlage wird Wasser erhitzt (gut, man kann bei einer Vorlauftemperatur von 55°C auch von erwärmt sprechen, aber es gibt eben noch viele Anlagen mit höheren Vorlauftemperaturen) und durch ein Rohrsystem geschickt, um dann flächige Heizkörper zu durchströmen und dabei an die Umgebungsluft Wärme abzugeben.

An der Fensterseite sind die Heizkörper angebracht. Dort steigt die an der Heizkörperfläche erhitzte Luft nach oben, um sich dann entlang der Decke Richtung Rauminnenseite zu bewegen. Sie kommt an der dem Fenster entgegen liegenden Wand an und bewegt sich nach unten, weil sie sich inzwischen abgekühlt hat. Nun wälzt sie sich entlang des Fußbodens Richtung Fenster zum Heizkörper - der Kreislauf ist geschlossen, alles beginnt von vorn.

Das Auf und Ab der Luft hat was mit deren unterschiedlicher Temperatur zu tun und der daraus resultierenden Dichte. Erwärmtes Gas dehnt sich aus, deshalb wird die Dichte geringer. Kühlt es ab, ziehen sich die Gasmoleküle zusammen, die Dichte nimmt wieder zu.

Nach diesem Prinzip funktionieren die Heizungsanlagen in Millionen von Haushalten. Das muss aber noch lange nicht bedeuten, dass dies auch das Gelbe vom Ei ist. Denn es gibt unangenehme Begleiterscheinungen: dunkle Streifen und abgedunkelte Zimmerecken, weil sich der mittransportierte Staub absetzt, die Erscheinung des "heißen Kopfes bei kalten Füssen" bis hin zu Zuglufterscheinungen und ausgetrockneter Luft, die die Schleimhäute reizt.

Im technischen Wettbewerb um das Heranführen an den Mindestwert wurden auch die Heizkörper auf Grössen berechnet, welche gerade so im rechnerischen Nachweis genügen. Im Zweifelsfall hat man dann eben nicht zu frieren, wenn das rechnerisch nicht geht.

Dadurch erreicht man die Situation, dass unter einem 1,50 m breiten Fenster ein Heizkörper von 950er Breite hängt. Für den Nachweis nach DIN reicht der, aber die Konvektion funktioniert halt nur über die Breite des Heizkörpers. Links und rechts davon fällt die kalte Luft vom Fenster nach unten. Solche Kälteschleier kann man wie Zugluft empfinden.

Um diesem Probleme abzuhelfen, hat man sich darauf besonnen, dass die Idee mit der Kosten senkenden Größen-Minimierung der Heizkörper nicht so erfolgreich wirkte. Die Idee des fensterbreiten Heizkörpers wurde geboren, nicht gerade neu und genial, aber gut präsentiert.

Technische Bezeichnung: VDI 6030. Stichwort: Pflichtenheft für Thermische Behaglichkeit. Werbeslogan: Die VDI 6030 zeigt den Weg. Und: 55/45 die neue Wärme. Man gibt sich also Mühe, hier Abhilfe zu schaffen. Dennoch besteht das Kardinalproblem darin, dass Luft als Medium (= Überträger, weitergebender Stoff) erwärmt werden muss, um den Raum warm zu bekommen und dass ein permanentes Temperaturgefälle aufgrund der oben beschriebenen Konvektionsmechanismen herrscht.

Deshalb benötigt man eben ein paar Grad mehr, damit sich die Menschen wohl fühlen, damit sich Behaglichkeit einstellt. Bei Strahlungswärme stellt sich aufgrund eines hohen Grades an Gleichmäßigkeit die Behaglichkeit eher ein. Es kann eben ein paar Grad kälter sein und man hat es dennoch wärmer. Vor allem, weil es nicht zieht.

Beispiel Ko2: Konvektion als thermische Materialvermischung kann man nur unterbinden, indem man den warmen vom kalten Stoff bzw. Bereich trennt. Dann unterbindet man diese Form des Wärmetransports. In einer Thermoskanne herrscht Vakuum, so dass es keine Konvektion gibt. Weil die innere Oberfläche verspiegelt ist, gibt es auch keinen Wärmetransport durch Strahlung. Letztendlich wird der Inhalt der Thermoskanne kalt, weil ein Wärmestrom in Form von Wärmeleitung am Verschluss stattfindet.

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3 Arten der Wärmeübertragung

Kürzel S K W
Bezeichnung Strahlung Konvektion Wärmeleitung
Symbolskizze
Was bedeutet das? elektromagnetische Strahlung Durchmischung als Materialvermischung durch Molekülstöße, ohne dass Stofftransport stattfindet; Weitergabe der kinetischen Energie
Welche Stoffe betrifft das? Gase, Flüssigkeiten Gase, Flüssigkeiten Gase, Flüssigkeiten, Festkörper
Beispiele die gesamte Energie, die unsere Erde von der Sonne erhält, Kachelofen Ozeane, Atmosphäre, die Luft im Wohnzimmer, Luftzug der Heizkörper Ziegelwand, Metallrohr
Welche Gesetze wirken? - Plancksches Str.Gesetz
- Wiensches Verschiebungsgesetz
- Stefan-Boltzmann- Gesetz
- Kirchhoffsche Strah- lungsgesetze (A + R = 1)
die thermische Bewegung ist der Motor, Ziel ist gleiche Teilchenzahldichte im gesamten Volumen
(1. Ficksches Gesetz)
Transportgleichung
(Wärmekapazität,
Temperaturleitwert)
Wie verhindern? A soll = 0 und R soll = 1 (Spiegel = idealer weisser Körper) das warme vom kalten Gebiet materiell trennen materiefreien Raum schaffen (Vakuum)
Wie bei Luft verhindern? nur durch vollständige Absorption, Verhinderung der Abstrahlung unbewegliche Luft lässt nur Wärmeleitung zu (Luft ist schlechter W.leiter) geht nicht, wobei aber Luft ein schlechter Wärmeleiter ist
Welche weiteren Begriffe gibt es? IR-, UV-Strahlung
(Sonnen-) Licht
Diffusion Wärmeausdehnung
Wärmekapazität

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Denkansätze zum Wärmetransport

Warum der Begriff Wärmeleitung (und davon abgeleitet: Wärmeleitfähigkeit) nicht das Alleinseligmachende sein kann, soll zunächst die kleine Übersicht verdeutlichen. Hier werden die gebräuchlichsten Baumaterialien hinsichtlich ihrer Eigenschaften verglichen, wobei die Quantifizierung nur tendenziell verdeutlicht sei.

 
Material Dämmstoff Holz Ziegel Beton Metall
Dichte o oo ooo oooo ooooo
Porigkeit ooooo oooo ooo oo o
Speichervermögen o oo ooo oooo ooo
Leitung von Wärme o oo ooo oooo ooooo
Strahlungsvorgänge ooooo oooo ooo oo o

Die hier dargestellten "Weisheiten" sind keine, das ist Grundwissen und jeder kann etwas damit anfangen. Auch was die Anteile von Wärmeleitung und -strahlung betrifft, mag vorstellbar sein. Um etwas tiefer einzusteigen, lassen Sie uns 2 Materialien genauer betrachten. Dazu legen wir sie unters Mikroskop. Maßstäbliche Verzerrungen in den Skizzen seien mir verziehen, ich habe leider keine mikroskopischen Aufnahmen zur Hand.

Das soll das Innere eines Ziegels sein (wobei das Denkmodell auch auf Beton zutrifft). Er hat feste Bestandteile, aber auch noch viele Poren. Hätte er keine Poren, würde seine Dichte nahe bei der von Metallen liegen. Hätte er keine Poren, würde er sich kapillar ganz anders verhalten.

(S), (W) und (K) sollen die 3 Arten des Wärmetransportes kennzeichnen. Der Anteil jeder Transportart wird allerdings nicht dargestellt.

Die Konvektion der eingeschlossenen Luft dürfte eher zu vernachlässigen sein. Jedoch ist es undenkbar, den Strahlungsanteil bei hoher Porigkeit zu vernachlässigen. Die Wärmeleitung erfolgt innerhalb der festen Partikel und zwischen diesen natürlich nur an den Grenz- oder Berührungsflächen.

Da aber jeder Körper strahlt, muss auch im Inneren jedes feste Partikelchen abstrahlen. Die Wärmestrahlung geht durch die in den Poren eingeschlossene Luft und trifft auf das gegenüber liegende feste Partikelchen. Dort geht sie in das Partikelchen hinein - und weiter geht es infolge Wärmeleitung.

Die auftreffende Strahlung regt die getroffenen Moleküle des Partikelchens an, so dass deren Energieniveau steigt. Im Partikelchen selbst ist Strahlung nicht möglich, wohl aber Wärmeleitung, weil sich die Atome gegenseitig anstoßen und somit die Energie weiterleiten. Am anderen Ende geht die weitergegebene Energie als Strahlung wieder raus usw.

Interessant wäre es, das Verhältnis von Strahlung und Wärmeleitung bestimmen zu können. Auf jeden Fall hängt es vom Porenanteil und der mikroskopischen Struktur ab. Auf jeden Fall wird aber auch deutlich, dass man nicht nur von Wärmeleitung reden kann und dass demzufolge der Begriff Wärmeleitfähigkeit für die Betrachtung der Wärmetransportvorgänge allein nicht genügt.

Anders ist es hier in diesem Stück Mineralwolle. Anders soll aber nicht völlig anders bedeuten. Auch hier finden (etwas) Konvektion, vor allem aber Wärmeleitung und Strahlung statt.

Reden wir vom Wärmeleitvermögen, wird deutlich, dass die Fusseln des Dämmstoffs natürlich nicht viel leiten können. Die "eingeschlossene" Luft überwiegt anteilig. Daher ist die Wärmeleitfähigkeit gering (ein toller U-Wert).

Mineralwolle wird aus aufgeschmolzenem und versponnenem Gestein hergestellt, es sind ganz feine Fasern. Zum einen ergeben sich daraus relativ wenige bzw. kleine Grenz- oder Berührungsflächen der Fusseln untereinander. Zum besseren Verständnis sei noch erklärt, dass keine Porigkeit entsteht, weil die Fasern ungeordnet vorhanden sind. Daher kann auch kein Wasser kapillar weitergeleitet werden - Tauwasser wird zurückgehalten.

Ähnlich verhält es sich bei extrudiertem Schaum (z.B. Styropor). Stellen Sie sich einen großen Raum vor, den jemand mit aufgeblasenen Luftballons voll gestopft hat. Die Luftballons entsprechen den Dämmstoffkugeln, jeweils ist Luft eingeschlossen, die sich nicht bewegen kann (daher Konvektion fast = 0). Auch hier geringe Materialstärken und kleine Übertragungsflächen - aber viel Raum für Strahlungsvorgänge.

Andererseits wird aber auch deutlich, dass einer eindringenden Wärmestrahlung wenig entgegengesetzt wird. Und selbst wenn dem Wärmestrahl so eine Fussel im Weg steht und angeregt wird, gibt sie die Strahlung ja doch weiter. Im Prinzip saust die Wärmestrahlung nur so durch, sehr viel langsamer erfolgt das hingegen bei unserem Ziegelstück oben.

Diese Erscheinung erklärt das gehasste Barackenklima, z.B. bei ausgebauten Dachgeschossen. Steht die Sonne auf diesem super gedämmten Dach (mit supertollem U-Wert infolge 20 cm MiWo 035), brauchen Sie nicht lange warten, und im Inneren ist es auch brütend heiß.

Was sagt uns das? Uns nützt ein Baustoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit allein nichts. Kommen gute speichernde Eigenschaften dazu, kann man ein gutes Temperatur-Amplituden-Verhältnis ( TAV ) erzielen: außen Temperaturunterschiede von 50 °C und innen gerade mal 2 °C.

Wenn man geneigt ist, diese Überlegungen fortzusetzen, kommt man darauf, dass gemessene Werte sich offensichtlich nicht viel aus all den wunderschönen Formeln machen. Grosse Abweichungen zwischen Theorie und Praxis, zwischen errechnet und gemessen, zeigen uns auf, dass an der U-Wert-Theorie etwas nicht ganz stimmen kann.

Mehr dazu erfahren Sie im weiterführenden Beitrag:
Vom Dämmen und Speichern - und der Suche nach der Wahrheit.

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Beispiel WT1:

Eine interessante Erkenntnis für U-Wert-Fetischisten:
 

"Kein Hitzestau unter dem Dach. Die neue Unterdeck- und Schalungsbahn Delta-Solar reflektiert ca. 60 Prozent der sommerlichen Wärmestrahlung.

Bei der Dachsanierung kann die teure und zeitraubende Sparrenaufdopplung für mehr Dämmstoffdicke unterbleiben. / Als Zusatznutzen bietet das Material eine hohe Abschirmwirkung gegen elektromagnetische Strahlung.

Ob der Wohnraum unter dem Dach zum erklärten Lieblingsplatz wird, hängt nicht zuletzt vom Raumklima ab, das dort herrscht. Schon ein Temperaturanstieg von zwei Grad Celsius kann im Sommer den Unterschied zwischen "angenehm" und "unerträglich" ausmachen. Mit der neuen diffusionsoffenen Unterdeck- und Schalungsbahn Delta-Solar, die die Dörken GmbH & Co. KG, Herdecke, auf der Dach + Wand 2002 in Frankfurt präsentierte, kann dieser unangenehme Wärmestau unter dem Dach wirksam und wirtschaftlich verhindert werden.

Denn das Material reflektiert ca. 60 Prozent der Strahlungswärme und trägt damit nach Untersuchungen des Fraunhofer-Instituts in Holzkirchen entscheidend zu einer verträglichen Raumtemperatur unter dem Dach bei. Die neue Bahn bringt dabei auch rechenbare Vorteile für den Sanierungsfall. Bei den oft geringen Sparrenhöhen im Altbau können die Anforderungen der Energieeinsparverordnung noch mit einiger Mühe erfüllt werden. Doch das unangenehme "Barackenklima" lässt sich damit meist noch nicht verhindern. In diesen Fällen ist Delta-Solar mit seinem hohem Wärmereflexionswert eine wirtschaftliche und zeitsparende Alternative zur Sparrenaufdopplung.

Delta-Solar besteht aus einem spezialbehandelten Polypropylenvlies ....
Darüber hinaus verfügt das Material über eine abschirmende Wirkung gegen elektromagnetische Strahlung. Nach einem Gutachten der Universität der Bundeswehr in München wird zum Beispiel bei Strahlungen aus dem Mobilfunkverkehr je nach Frequenzbereich eine Abschirmwirkung von 75 bis 90 Prozent erreicht.

Die neue Unterdeck- und Schalungsbahn ist mit ihrem geringen Flächengewicht ...

Als Systemergänzung empfiehlt das Unternehmen den Einsatz von Delta-Fol Reflex als Luftdichtheitsschicht und Dampfbremse. Bei fachgerechter Verarbeitung schützt sie die Wärmedämmung sicher vor Diffusions- und Konvektionsfeuchte und ermöglicht darüber hinaus durch ihre 50-prozentige Reflexion der aufsteigenden Heizwärme eine Energieeinsparung von bis zu 10 Prozent. Bei einer Dachsanierung ..."

Quelle: Herstellerinfo von Doerken
November 2002, leicht gekürzt
Notiz, 08.2004: wenn dieses Produkt gerade nicht am Markt ist, liegt es daran, dass gewisse
Herstellungsprobleme gelöst werden müssen; Funktion und Wirkungsweise sind daher nicht
in Frage zu stellen; Delta-Solar wird wieder im Sortiment erscheinen (MB, nach Telf. mit Dörken)

Beispiel WT2: Noch eine interessante Erkenntnis für U-Wert-Fetischisten:

"Styropor® ist seit Jahrzehnten das Synonym für effiziente Wärmedämmung. Aber auch ein Klassiker entwickelt sich weiter. Das Ergebnis ist Neopor, der silbergraue Bruder des weißen Styropor- Schaumstoffes.

Wie ist das bessere Dämmvermögen von Neopor zu erklären?

Die Dämmwirkung von herkömmlichem Styropor beruht hauptsächlich auf der niedrigen Wärmeleitfähigkeit der eingeschlossenen Luft. Ein gewisser Wärmeverlust tritt jedoch weiterhin durch Wärmestrahlung auf. Um diesen Verlust zu verhindern, musste bisher die Dichte des Schaumstoffes erhöht werden: Gewicht und Rohstoffverbrauch nehmen zu.

das ist bei Neopor anders. Eingebaute Reflektoren verhindern das Durchdringen von Wärmestrahlung, so dass auch sehr leichte Dämmplatten praktisch strahlungsundurchlässig werden. ..."

Quelle: Herstellerinfo der BASF
im Heinze BauOffice® Journal Nr. 80 auf S. 157, 12/2002


Kommentar:

Was sagen uns diese Praxisbeispiele? Das, was die Fusseln bzw. Luftkügelchen nicht vermögen, nämlich die Wärmestrahlung zurückzuhalten, erledigt nun die Folie mittels Reflexion bzw. ein eingebauter Reflektor. So weit her ist es demnach doch nicht mit der Leitung der Wärme - theoria cum praxi.

Aber, wissen denn die Herren von der Industrie gar nicht, was sie mit der Verbreitung dieser Erkenntnisse anrichten? Bislang war doch (nach allgemeiner dogmatischer Lehrmeinung) der U-Wert das Maß aller Dinge. Und der hat ja nun mit Wärmestrahlung nichts zu tun.

Am Ende geht man gar noch dazu über, die 3 Arten der Wärmeübertragung komplex zu betrachten und daraus die richtigen Schlüsse zu ziehen?

Jedenfalls, den Wärmeverlust mittels Erhöhung der Dichte zu verringern, passt in gar kein Betrachtungsschema (denn höhere Dichte mag geringere Strahlung bewirken, gleichzeitig aber auch stärkere Leitung).

Es gibt also noch viel zu überlegen.
Die DIN 4108 wird schon noch umgeschrieben werden.
Denn der U-Wert allein beantwortet die Fragen nicht.

Beispiel WT2
Noch eine interessante Erkenntnis für U-Wert-Fetischisten:
Der "Solarputz" wurde erfunden
(02.2004)

Am 08.11..2003 wurde aus Baden-Baden berichtet, dass Wissenschaftler schon länger daran tüftelten, um ähnlich wie Mensch und Tier es können, die schützenden Außenhüllen von Gebäuden auch flexibel an die jahreszeitlich wechselnden Außentemperaturen etc. anzupassen. Nunmehr soll es gelungen sein, einen "SOLARPUTZ"  für Gebäude entwickelt zu haben, der Wärmeverluste reduziert und zusätzlich Kühl- oder Heizenergie spart.

Diesem sagenumwobenen 2-cm-Putz wird nachgesagt:

  • er hole im Sommer Kellerkühle ins Haus
  • er schaffe im Winter wohlige Wärme
  • er solle am Markt nicht teurer sein als übliche Renovieranstriche

Auch das Geheimnis wird gelüftet: es seien "Mikrokügelchen im Putz". Dadurch würde ein Maximum der auftreffenden Strahlung (Sonne oder diffuses Licht) als Wärmeenergie absorbiert und durch die Grundputzschicht in die Wand abgeleitet.

Die Fa. Maxit habe für diese "Weltneuheit" ein Testhaus im Werk Azendorf, wo die SOLARPUTZ-Schicht des Testhauses bei extremen Außentemperaturen höchst eindrucksvoll ihre energiesparende Wirkung zeige.

der Putzhaut wird sogar nachgesagt, sie wirke "wie eine solar betriebene Klimaanlage". Als Beleg wird angeführt, dass die Temperatur im SOLARPUTZ-Raum bei über 34°C Außentemperatur im im Tagesverlauf um 0,8 bis 2 °C niedriger gelegen hätte als in der Normalputzzelle.

SOLARPUTZ nutze also die kostenlos zu gestrahlte solare Energie! Seit Oktober 2003 sollen im Testhaus Messungen stattfinden, welche die prognostizierte winterliche Energieeinsparung bis zu 40 % dokumentieren sollen.

Nachzulesen:
Umwelt Journal, Rubrik Bauen / Wohnen / Garten
Sonnenseite.com von Franz alt

Hintergrundinformation:

Beim Europäischen Patentamt liegt unter EP 1 235 042 A1 eine Europäische Patentanmeldung vor. Die Anmeldung unter der Nummer 01103442.8 ist vom 14.02.2001. Gegenstand ist ein "Fassadenputzsystem zur besseren Nutzung der Umweltwärme in wärmespeicherfähigen Außenbauteilen"

Aus der Beschreibung

"Die Erfindung betrifft die verbesserte Nutzung der Umweltwärme durch makroporige Außenbauteilschichten an Gebäuden, welche an der Oberfläche mit einer sonnenstrahlungsdurchlässigen Beschichtung (Haut) versehen werden; ... ."

"Ziel der Erfindung ist, die Energieströme an Außenwänden günstig zu beeinflussen und somit die effektiven Transmissionswärmeverluste von beheizten Räumen zu mindern."

Es wird auf folgende Effekte abgezielt:

  • Minimierung der Wärmeleitung durch trockene Bauteile
  • Minimierung der Wärmestrahlung durch Oberflächenmaterial mit geringem Emissionsgrad
  • Minimierung der Luftkonvektion (Luftdichte, kleine Hohlräume)

Interessant wird es auf Seite 3:

"Die Klebeschicht (für das Glasvliesgittergewebe) sollte bevorzugt aus sonnenstrahlungsdurchlässigem Material, z.B. "Akzent" von der Firma Thermo Shield in Berlin, bestehen ..."

"Darauf ist das Faservlies mit einem sonnenstrahlungsdurchlässigem Material, z.B. "Akzent" von der Firma Thermo Shield in Berlin, zu versehen."

"Nach ausreichender Trocknung ist ein zweiter Anstrich aufzutragen, der wiederum aus "Akzent" bestehen oder eine Pigmentierung enthalten kann."

"Das als Beispiel aufgeführte Produkt der Firma Thermo Shield hat die günstige Eigenschaft, hinreichend elastisch und alterungsbeständig zu sein."

Zusatzinformation:

Eine Patentanmeldung ist noch kein eingetragenes Patent. An eine Erfindung werden Kriterien gestellt, welche über die Kombination von Vorhandenem hinaus gehen.

Geprüfte Eigenschaften von TS

Beschichtungsleistung

• Flammüberschlag, Rauchentwicklung: nein
• Belastung, Haltbarkeit, Widerstandsfähigkeit, Klimaresistenz: 1989 beste in Japan
• Chemische Beständigkeit: Säuren, Laugen, Öl
• Anforderungen für die Sanierung schwach gebundener Asbestprodukte: erfüllt
• Diffusionswiderstand CO2: keine Korrosionsförderung bei Betonstahl
• Schwer entflammbar (B1)
• Strahlungsreflexion, -absorption, Emissionsgrad: B1, B2
• Hygieneattest: bestanden (Polen) Gültigkeit?
• Schutz vor Asbestfaseremission: wirksam
• Auftrag, Läuferbildung, Dichte, Trockenzeit, Anstrichbild …: bestanden
• Wasserdampfdurchlässigkeit im Trocken- und Feuchtbereich
• Diffusionsstromdichte, Dampfdruckdifferenz, Durchlasskoeff., Diff.widerstand
• Antistatischer Schutz elektronischer Anlagen: gegeben
• Weichmacher, Schwermetalle, FCKW, flüchtige Bestandteile: frei
• Schmutzhaftung: leicht zu reinigen
• Kerosin: unempfindlich
• Brandverhalten auf mineral. Untergrund und GK-Platten: B1
• Methyl- und Methylchlorisothiazolinon: nicht nachweisbar, somit nicht allergen wirksam
• Schimmelpilzanfälligkeit: nach 10 Tagen Wachstum nach direktem Auftrag
• Widerstand gegen Algenbefall: ohne Biozid doppelt so lange Vergleich
• Quantifizierter Wassertransport: Abfangen von Feuchtspitzen
• Prüfung nach DIN EN 13300: bestanden
• Anwendung im Denkmalschutz: geeignet

Energetisch

• Sonnenhitzedurchgang: 84% weniger als Bitumen (unbeschichtet)
• Heizungswärmedurchgang bei Holz: 25% Rückhalt
• Sonnenhitzedurchgang: 64% weniger als Stahlblech (galvanisiert)
• Feldstudie 2 EFH: Einsparung von 12.802 kWh
• Veränderung des k-Wertes: Verbesserung um 0,5
• K-Wert-Vergleichsmessung nach Auftrag: um 0,6 (Energieeinsparung 22%)
• Modell der physikalischen Wirkung: Netzstruktur Membran
• Zusammenfassung gesicherter Erkenntnisse
• Transmissionswärmestrom eines porösen Baustoffes (NS, Wind): 30% Reduzierung
• Transmissionswärmestrom eines porösen Baustoffes (NS, Str): 40% Reduzierung
• Wärmestrommessung und Vergleich mit Berechnung: 2,35 vorher / 1,38 ber. / 1,15 gem.
• Feldstudie 2 MFH: Einsparung von 30,26% (Nachkomma!)
• Feldstudie 2 MFH: Einsparung von 28,62% (Nutzerzunahme)
• Solarreflexion, Oberflächentemp.,
  Infrarotemission, Hitzedurchgang: 75% Minderung Wärmetransport, bestes Coating
• Feldstudie 1 MFH: Einsparung von 25%
• Pressemitteilung Perleberger WBG: 20…30% Einsparung
• Prüfbericht zum Lüftungswärmeverlust: Minderung um 7%
• Dülmener Papier: Beschreibung einiger Mechanismen
• Hygrischer und thermischer Einfluss: Unterschied zu üblichen Farben
• Wirkweise an heißen Sommertagen: niedrigere Raumtemperatur
• Wirkweise in der Heizperiode: verbesserte solare Nutzung, Wärmestr.gener.
• Energiesparende Wirkung: -32% Kühlkosten, -36% Wärmeverlust
• Feldstudie 2 Klassenzimmer: bessere Beheizbarkeit, +4°C
• Therm. Verhalten von AW: Reduzierung der Bauteilfeuchte um 16% in 7 Mo.
• -Messung dünner Schichten: 0,05 W/mK
• Therm. Verbesserung von AW: 24% Einsparung
• Prüfbericht zu Wärmeschutzeigenschaften:
gleichmäßige Verteilung der Wärme, Verzögerung des Wärmeaustauschs, EE 22%
• Prüfbericht zu Minderung von Wärmeverlusten: 40,47%
• Math. Modell der Wärmeschutzeigenschaften: Streulicht, Bindemittel-Bubbles
  hat wiss. Überprüfungen standgehalten
• Methode zur Berechnung wärmephys. Eigenschaften: beliebige Konstr. berechenbar

Kommentar:

Sieh da, sieh da. Die Fronten bröckeln, die Etablierten kommen ins Wanken. Was dem einen seine Bubbles, sind dem anderen seine "Mikrokügelchen".
Alte Weisheiten werden uns als neue verkauft:
entfeuchten ist wirksamer als dämmen
solare Gewinne durch die Außenwand gibt es in wirksamem Maße
der Wärmestrom ist veränderbar
somit ist der U-Wert nicht stationär
Speichervermögen und Strahlungsvorgänge sind wichtiger als U-Wert-Theorien

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Das griechische ABC

Kommen Sie mit den Formeln klar? Ein bisschen sollen die hier aufgeführten Buchstaben helfen, die 1x in deutsch und 1x in griechisch aufgeführt sind. Da hat man wenigstens annähernd eine Ahnung, wie die Formelwerte auszusprechen sind.

a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z
a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z

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Rezension

Bauherren-Ratgeber Fassade
Energie sparen und Wert erhalten

Herausgeber: STO AG, 79780 Stühlingen

In dem selbst verlegten Bauherren-Büchlein geht es um Fassadendämmsysteme (WDVS). Aus dem Titel geht auch klar die Zielgruppe hervor: der Bauherr.

"Tatsächlich aber stellt die Fassadendämmung keine Alternative dar, sondern ein Muss" wird auf S. 13 behauptet. Als Begründung wird angeführt, dass eine Heizung nur nutzt, wenn gedämmte Wände die Wärme im Haus halten. Unter der gedämmten Wand hat man sich eine mit einem WDVS versehene vorzustellen. Als durchschnittlich informierter Bauherr weiß man aber, dass es auch Außenwände gibt, die ohne ein WDVS auskommen - und dennoch die Wärme im Haus halten: Blähton, Massivholz, Ziegel, Poroton, Porenbeton, Holzbeton ...

Auf S. 14 erfährt man: "Das wichtigste Element ist ein Fassadendämmsystem. Denn durch ungedämmte Wände findet der mit Abstand größte Wärmeverlust statt." Das ist schlichtweg falsch und unterschlägt die Tatsache, dass Wände ohne WDVS aufgrund ihrer dämmenden und speichernden (!) Eigenschaften sehr gut Wärmeverluste gering halten können.

Als Empfehlung für die Neubau-Planung erteilt man auf S. 14 den guten Rat: "Lage und Ausrichtung des Hauses wählt man am besten so, dass die kostenlose Sonnenenergie genutzt ... wird." Daran gibt es nichts auszusetzen, jedoch steht diese Aussage im Widerspruch zu der Ausführung auf S. 37: "Im Sommer steht Fassadendämmung zwischen Sonne und Wand. Unerträgliche Hitze in den Zimmern bleibt damit außen vor."

Wahr daran: das WDVS steht tatsächlich zwischen Sonne und Wand. Dies ist aber nicht der Grund für erträgliche Temperaturen im Inneren im Sommer (sommerlicher Wärmeschutz) - dafür zeichnen die Eigenschaften der massiven Außenwand verantwortlich. Dafür gibt es den Begriff Temperatur- Amplituden- Verhältnis (TAV), doch hinsichtlich dieser Kenngröße  schneiden Dämmungen sehr schlecht ab. Vielleicht mag das ein Grund dafür sein, den Begriff des TAV im Buch gar nicht erst auftaucht.

Auf S. 16 beginnt man, "Die Vorteile von Fassadendämmung" zu erläutern. "Alles spricht dafür: der Verstand, das Empfinden, das Gewissen. Der Geldbeutel ..." Leider wurde nicht erwähnt, wessen Geldbeutel gemeint ist. Anhand eines Rechenbeispieles wird dem sparsamen Bauherrn vorexerziert, dass sich das Anbringen eines WDVS bereits nach 7,5 Jahren amortisiert hat. Jedoch erscheint das Beispiel nicht ganz nachvollziehbar. Das Musterhaus hat 130 qm Außenwand mit einem U = 1,76 W/(m2K) und einer Wandstärke von 24 cm. Nun soll man nicht behaupten, so ein Haus würde man nirgendwo anfinden - die Regel ist es eher nicht.

Mit 12 cm Dämmung erzielt man einen U-Wert von nur noch 0,28. Eindrucksvoller wäre sicher der Vergleich anhand einer 11,5er Wand, aber das ist zu dünn für eine Außenwand. Interessant die Kostenbetrachtung: nicht einmal 54 Euro kostet der m2 komplett bei 12 cm Dämmung. Diesen Preis sollte man sich garantieren lassen.

Erstaunlich das Ergebnis bei der Einsparung an Heizkosten: von 24.200 kWh/a (100%) kommt man auf 14.550 kWh/a herunter, das sind dann nur noch 60%. Auf S. 9 erfährt man, dass ca. 30% der Wärmeverluste am freistehenden EFH über die Wand erfolgen. Wenn man diese 30% um 84% reduziert - wie gelingt es dann, in der Summe unter 70% zu kommen?

Zum "Vorteil 3: Wertsteigerung und Substanzerhalt" erfährt man auf S. 23, dass WDVS das Mauerwerk vor Feuchtigkeit von außen schützen. Das macht ein zig Jahre alter Kalk- oder Kalkzementputz auf Ziegelwänden auch, sogar ohne Anstrich. Der wesentliche Nachteil der WDVS besteht jedoch darin, dass sie Feuchtigkeit von innen entstehen lassen.

Insofern führen Frage+Antwort zum Thema "Atmungsfähigkeit der Wand" auf S. 58 völlig am Thema vorbei. Hier wird festgestellt, dass keine Wand atmen kann. Als Beleg werden Untersuchungen angeführt, welche von weniger als 5% Luftaustausch über die Wand sprechen. Und eine gemauerte Außenwand "atmet" doch! Man darf nur nicht den Vergleich des Luftaustausches heranziehen. Das Atmen der Außenwand sind die Sorptionsvorgänge - und genau die werden durch WDVS unterbunden. Aufgrund des Temperaturabfalls in der Dämmstoffschicht kann dort Kondenswasser entstehen.

Kondenswasser ist flüssig, es wird im Dämmstoff kapillar nicht transportiert. Deshalb verbleibt es darin. Die Aussage auf S. 50 "Diffusionsoffene Farben und Putze weisen Wasser von außen ab, Wasserdampf von innen kann entweichen." ist daher nur die halbe Wahrheit, sie trifft nur für die warme Jahreszeit zu. Insofern ist es nicht zutreffend auf S. 58, wo es um Mittel gegen feuchtes Mauerwerk geht: "Das bewährte Mittel dafür: Fassadendämmung. ... Sie verhindert Kondenswasserbildung im Inneren."

Auf S. 24 argumentiert man mit dem Vorteil Raumgewinn. Dazu wird ein "Vergleich von Wandstärken bei identischem U-Wert" angestellt. verglichen werden eine 36,5 starke ohne und eine 17,5 cm starke Kalksandsteinwand mit 4 cm Fassadendämmung. Dass eine dickere Wand mehr Platz einnimmt, sei unbestritten. Nur: die U-Werte betragen 0,662 bzw. 1,147, somit sind sie nicht identisch. Und eine Basiskonstruktion mit 36,5 cm Kalksandstein ungedämmt wird man wohl vergeblich suchen, eher schon 2-schalige Systeme mit innen liegender Dämmung.

Auf S. 26 erfährt man zum "Vorteil 5: Wohlfühlfaktor", dass durch Fassadendämmung die Wand annähernd Zimmertemperatur habe und dass sich die Luft gleichmäßig bewege. Das stimmt nur zum Teil, die Luftbewegung wird im wesentlichen durch das Heizungssystem bestimmt - bei Heizkörpern an der Außenwand entsteht Konvektion und keine Fassadendämmung verhindert die zirkulierende Bewegung der Luft.

Zu diesen Unvollständigkeiten passt auch die selektive Behauptung auf S. 32: "Physikalisch betrachtet entstehen Wärmeverluste an Gebäuden durch den Austausch von Luft unterschiedlicher Temperaturbereiche." Das ist gar nur noch die gedrittelte Wahrheit. Wärmetransport erfolgt auf 3 Wegen: Konvektion, Leitung, Strahlung.

Auf S. 29 versteigert man sich zu meteorologischen / umweltphysikalischen Irrlehren, hier wird behauptet: "Das Kohlendioxid sammelt sich als dicke Schicht in der Atmosphäre." Dieser Unsinn dürfte wohl gar noch die Modelle des IPCC überbieten.

Dagegen nehmen sich die Ausführungen auf S. 36 harmlos aus: "Die an der Außenseite des Gebäudes angebrachte Dämmung blockiert die Kälte und unterbindet ihr Eindringen in das Mauerwerk." Physikalisch gesehen ist das falsch: nicht Kälte dringt ein, sondern Wärme geht nach außen verloren.

"Die Zimmerwärme durchdringt die Wand, geht aber nicht nach außen verloren. Nach dem Abschalten der Heizung ergibt sich der „Kachelofen-Effekt": Die Wand gibt ihre Wärme an die Räume zurück. Die Wohnung kühlt also nicht sofort aus. Das Raumklima bleibt ausgeglichen. Das warme Mauerwerk verhindert außerdem Frostschäden an den Wasserleitungen."

Das erscheint erklärungsbedürftig: wieso geht keine Wärme nach außen verloren? Die Dämmung kann den Wärmestrom bzw. -abfluss zwar verzögern, unterbinden kann sie ihn auf keinen Fall. Ansonsten darf man dankbar sein, auf die Wirkung speichernder Baustoffe hingewiesen worden zu sein.

Leider wird etwas übertrieben, denn eine Wärmeabgabe an den Raum kann es nur geben, wenn der Wärmestrom von außen nach innen verläuft. Das ist jedoch in der kalten Jahreszeit nicht zu erwarten. Selbst solare Erträge bewirken nur, dass der Nettoabfluss an Wärme verringert wird - nämlich indem sich entgegen gesetzte Wirkungen aufheben. Die entscheidende Kenngröße für die thermische Behaglichkeit ist die Temperaturdifferenz zwischen Raumluft und Wandoberfläche.

Wasserleitungen sind übrigens grundsätzlich nicht in der Außenwand zu verlegen. Gerade wenn mit WDVS gebaut wird, ist die Außenwand nur so dick, wie statisch unbedingt nötig. Dann verbietet sich ein Schlitzen zum Verlegen der Leitungen von vornherein. Und sollte einmal die Innenseite der Außenwand unter 0°C abgekühlt sein, müssen Sie sich über Frostschutz keine Gedanken mehr machen, dann ist eh alles zu spät (einzig sinnvolles Fallbeispiel: Ausfall der Heizung bei Abwesenheit). Zwar schließen die Vorschriften eine Verlegung in der Außenwand nicht aus, jedoch wird das ohne Not nicht praktiziert.

Wichtig erscheint noch eine Korrektur zum Glossar. Unter dem Stichwort "Kondensation" erfährt der Bauherr auf S. 60 folgendes: "Übergang eines Stoffes vom gasförmigen in den flüssigen Zustand beim Unterschreiten der Kondensationstemperatur. Im Inneren von Räumen findet Kondensation statt, wenn die wasserdampfbeladene Luft Flächen oder Gegenstände berührt, deren Temperatur unter dem Taupunkt liegt. An Fenstern und Kacheln erkennt man die kleinen Wassertröpfchen sofort, an den Wänden erst später in Form von Schimmel und Modergeruch."

Hierzu sei vermerkt, dass die Kondensation auch im Inneren des WDVS erfolgen kann, wenn der Wasserdampf, der infolge von Sorptionsprozessen nach außen wandert, kondensiert. Nur, man erkennt die kleinen Wassertröpfchen weder sofort noch etwas später. Erst wenn es viel zu spät ist, wird das Dilemma offenbar. Dann darf man über das Recycling nachdenken, das in etwa so praktikabel ist wie das Trennen der 5 Schichten eines Tetrapacks, weswegen die Sache zum Sondermüll geht.

storatgeber.gif (12702 bytes)

Fazit: Der Hinweis sollte nicht fehlen, dass es darum gehen soll, wer die meisten Fehler findet. Sozusagen ein Bauherren- Rätsel- Büchlein. Etwas mehr an Objektivität wäre gut.

Bestellen können Sie das Büchlein kostenlos bei der STO AG, z.B. über die Homepage www.sto.de.

Zum Abschluss ist hervorzuheben: nicht alles, was von STO kommt, ist schlecht und schon gar nicht so eigenwillig anmutend wie dieses Büchlein (Bsp. Betonsanierung, Silikatfarben). Ich habe selbst gute Erfahrungen hinsichtlich Fachberatung machen können.

DIMaGB, 09.03.2002

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Wasser

75% des menschlichen Körpers bestehen aus Wasser, 2/3 der Erdoberfläche ist mit Wasser bedeckt. Die Wasservorkommen der Erde belaufen sich auf ca. 1,38 Milliarden km3. Der weitaus größte Teil, 97,4 % davon ist das in den Weltmeeren vorkommende Salzwasser. Nur 2,6 % davon (36 Millionen km3) liegen als Süßwasser vor. Das meiste Süßwasser ist als Eis an den Polen und in Gletschern gebunden; nur 0,3 % der weltweiten Wasservorräte (3,6 Millionen km3) sind als Trinkwasser verfügbar.

Wasser bedeutet aber auch Feuchte am Bau. Die Folgen sind hinlänglich bekannt. Diese Übersicht in Steckbriefform soll uns diesen Stoff näher bringen.

Aggregatzustände: fest (Eis, Schnee oder Hagel), flüssig (Wasser), gasförmig (Dampf, Dunst, Nebel, Wolke); er hängt von der Temperatur und vom Druck ab

Anomalie: trotz Erwärmung zieht sich Wasser bis 4°C zusammen und dehnt sich erst oberhalb von 4°C wieder aus; unterhalb von 4°C wird die Dichte kleiner, dadurch bildet sich bei Frost das Eis zuerst auf der Oberfläche und bleibt dort, weil es eine geringere Dichte als die Flüssigkeit hat

Bindung: Dipolmoment in der Gasphase: 1,84 D, Bindungslänge in der Gasphase: 95,7 pm, Bindungswinkel in der Gasphase: 104,5°

Dampfdruck: für das dynamischen Gleichgewicht zwischen Verdampfen und Kondensieren ist im Gasraum eine bestimmte Dichte von Molekülen notwendig, es stellt sich der zugehörige Dampfdruck p zur Temperatur ein

Dampfdruckkurve: die Trennlinie im Zustandsdiagramm zwischen gasförmig und flüssig/fest

Dichte: 1 g/dm3 bzw. 1 kg/l bzw. 1 t/m3 bei +4 °C (277,16 K); verschiedene Dichtewerte des Wassers bei Normaldruck in Meershöhe: 0°C: 0,9168; 1°C: 0,9999; 4°C: 1,0000; 10°C: 0,997; 15°C: 0,9991; 20°C: 0,9982; 25°C: 0,9971; 100°C: 0,9584

Eis: ist leichter als Wasser: unter 0°C überwiegt die Elektrostatik (abnehmende Wärmebewegung bei niedrigen Temperaturen), und es bildet sich eine feste Struktur aus (Eiskristall); durch Wasserstoffbrückenbindungen im Eiskristall entsteht eine Struktur mit vielen Hohlräumen, deshalb ist die Dichte von Eis um etwa 9% geringer als die von Wasser bei 4C

Elektrische Leitfähigkeit: reines Wasser ist nicht elektrisch leitend, nur die im Wasser gelösten Stoffe (Ionen) wirken leitend

Erwärmung: übt man einen steigenden Druck aus, erwärmt sich Wasser auch bei Druckerhöhung nur bis 35,6°C

Farbe: farblos bzw. klar

Feuchte: ist das Verhältnis zwischen tatsächlichem Partialdruck und Sättigungsdruck, angegeben in %

Festpunkt: = Gefrierpunkt: bis zu einer bestimmten Temperatur liegt Wasser in fester Form vor; weil die Atome sich so wenig bewegen, dass ein fester Stoff vorliegt (Kristallgitter)

Formel, chemische: H2O

Gefrierpunkt: ± 0 °C (273,15 K): Wasser geht unter Ausdehnung seines Volumens um 1/11 vom flüssigen in den gefrorenen Zustand über

Geschmack: reines Wasser ist geschmacklos

Geruch: reines Wasser ist geruchlos

Hydrophilie: Teilchen mit elektrischen Ladungen oder Teilladungen ziehen Wassermoleküle an und umgeben sie mit einer Wasserhydrathülle, dadurch wird die Löslichkeit von Ionen und von Molekülen mit polaren Gruppen (-OH-, -COO- und NH4 +) ermöglicht - Stoffe mit polaren Gruppen sind daher hydrophil

Hydrophobie: Stoffe mit apolaren Gruppen (z.B. -CH3) sind hydrophob, das ist das Gegenteil zu Hydrophilie.

Kapillarität: Eigenschaft des Wassers, sich in engen Spalten und Röhrchen unterschiedlich auszubreiten; sie hängt eng mit Adhäsion, Kohäsion und Oberflächenspannung zusammen. Wasser als eine benetzende Flüssigkeit wird in einer Kapillare nach oben gezogen, wenn die Adhäsion größer als die Kohäsion ist.

Kondensation: tritt ein, wenn der Partialdruck über den Sättigungsdruck steigt (auch Nebelbildung genannt)

Lösemittel: Wasser ist ein hervorragendes Lösemittel gerade für polare Stoffe wie Salze, weil es zwischen Ionen und Wassermolekülen starke elektrostatische Wechselwirkungen gibt; die Hydrathüllen von Ionen spielen für den Transport durch die Membran eine wichtige Rolle

Molekül: Wasser ist eine Molekülverbindung (Dipol), und keine Ionenverbindung; das O-Atom hat zwei einfach besetzte Kugelwolken, die mit den Kugelwolken von zwei H-Atomen überlappen können; die Atome Wasserstoff und Sauerstoff können gegeneinander schwingen und das gesamte Molekül kann rotieren; Die Wasserstoffatome sind in einem Winkel von 104° um das Sauerstoffatom angeordnet. Die Sauerstoffatome besitzen eine stärkere negative Ladungsverteilung innerhalb des Moleküls, dabei bildet das Sauerstoffatom den negativen Pol und die Wasserstoffatome die positiven Pole.

Molekularbewegung: Brownsche M.: es gibt statistisch in jedem Körper bei jeder Temperatur immer mindestens einige Moleküle, die genügend kinetische Energie besitzen, um die potentielle Energie (Bindungsenergie) im Körper zu überwinden

Oberflächenspannung: die zwischen den Wassermolekülen wirkenden Anziehungskräfte (Wasserstoffbrückenbindungen) wirken gleichmäßig nach allen Seiten und heben sich daher in ihrer Wirkung gegenseitig auf; an der Oberfläche wirken ins Innere gerichtete Kräfte, weil die Oberflächenmoleküle nur an der Unterseite weitere Moleküle angelagert haben; die Summe dieser Kräfte ist die O.

Partialdruck: gibt es immer in der Luft, er kann nicht höher sein als der nach der herrschenden Temperatur zu erwartende Dampfdruck (Sättigung)

Schmelzpunkt: ± 0 °C

Schmelzpunktkurve: die Trennlinie im Zustandsdiagramm zwischen fest und flüssig

Schmelzwärme: die S. erscheint nicht als Erhöhung der Temperatur (latente Wärme), da beim Schmelzen die potentielle Energie der Moleküle untereinander erhöht wird

Schmelzwärme, spezifische: LE 334 J/g bei 0°C

Sieden: beobachtet man, wenn der äußere Druck auf die Substanz (meist der äußere Luftdruck) gleich dem Dampfdruck bei dieser Temperatur ist

Siedepunkt: + 100 °C (373,15 K), sie ist abhängig vom Luftdruck

Tripelpunkt: 273,16 K (+ 0,01 °C), hier sind Druck und Temperatur absolut festgelegt; es ist der Punkt, bei dem alle drei Phasen (Aggregatzustände) simultan beobachtet werden können

Tropfen: diese Form ergibt sich durch Gravitationswirkung aus der Kugelform (eine Wasserportion will eine möglichst kleine Oberfläche ausbilden, damit möglichst wenige Wassermoleküle an der Oberfläche liegen müssen)

Verdampfen: Moleküle verlassen den Körper, sie dampfen ab

Verdampfungspunkt: ab einer bestimmten Temperatur bewegen sich die Teilchen so stark, dass sie in den gasförmigen Zustand übergehen (Siedepunkt)

Verdampfungswärme, spez.: LS 2.255 J/g bei 100°C

Wärmekapazität, molare: cm (H2O) Z (2+16)∙10-3∙c (H2O) = 75 J/(K•mol)

Wärmekapazität, spezifische: c (H2O) = 4,18 kJ/(K·kg), Wasser speichert also verhältnismäßig viel Wärmeenergie (bei Raumtemperatur etwa das doppelte von z. B. Öl) bzw. es benötigt, um erhitzt zu werden, vergleichsweise viel thermische Energie

Wasserstoffatom: ein Wasserstoffatom wiegt m(H) = 0,000 000 000 000 000 000 000 001 674 g

Wasserstoffbrückenbindung: die positiv geladenen Wasserstoffatome stehen mit dem Elektronenpaar des Sauerstoffatoms eines weiteren Wasserstoffmoleküls in Wechselbeziehung (relativ starke Bindung); dadurch besitzt Wasser einen höheren Siede- und Schmelzpunkt als andere Stoffe in der Zelle, eine große Oberflächenspannung und eine höhere spezifische Wärmekapazität

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Vorwort (2008)

Die Haus-Klinik® präsentiert Ihnen hier den bekannten Klassiker "Bauphysik für jedermann", veröffentlicht Anfang 2001 bei dimagb.de. Inzwischen wurde vom Autor oft hin und her überlegt, ob die Texte etwas anzupassen bzw. umzuschreiben seien. Denn im Laufe der Zeit neigt man dazu, Dinge anders auszudrücken als vor Jahren. Letztendlich obsiegte die Erkenntnis, dass hierfür kein Erfordernis besteht.

Nach dem Lesen werden Sie vieles besser verstehen, manches vielleicht aus einem anderen Blickwinkel betrachten. Sie dürfen auch gern Ihre Meinung kundtun. Angenehme und lehrreiche Lektüre der "Bauphysik für jedermann" wünscht Ihnen

Die Haus-Klinik®, November 2008


Vorwort (2001)

Worum geht es hier? Ich möchte versuchen, Ihnen bauphysikalische Begriffe verständlich zu machen, so dass auch der Laie etwas damit anfangen kann. Wenn Ihnen die Beiträge im Infobereich BAUPHYSIK zu wissenschaftlich sind, soll dieser Beitrag helfen, Ihr Verständnis zu wecken.

Deshalb ziehe ich ganz profane Dinge des Alltags zur Betrachtung heran. Dabei versuche ich stets den Bezug zu "modernen" Vorschriften wie der EnEV oder diversen DIN herzustellen. Noch mal zur Erinnerung: die DIN an sich ist ein privatwirtschaftliches und ggf. ein staatlich bestätigtes Produkt und noch lange keine Regel der Technik (gleichwohl per EnEV zum Gesetz erhoben und Bußgeld bewehrt).

Ich verzichte auch ganz bewusst auf Zitate aus dicken Lehrbüchern, sondern schreibe alles so runter, wie ich es ohne nachzulesen aus der eigenen Vorstellung vereinfacht herüberbringe. Wenn Fragen und Hinweise kommen, schreibe ich gern einige Passagen um oder ich ergänze sie.

DIMaGB, Januar 2001

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