Bauphysikalische Grundlagen Teil I: Wärmeschutz
Bauphysikalische Grundlagen
Grundlagen und Definitionen
Der Begriff „Wärmeschutz“ beschreibt bauliche Maßnahmen an Gebäuden, die das Ziel haben,
- den Heizwärmebedarf zu vermindern,
- die Wohnbehaglichkeit zu steigern,
- Bauschäden zu vermeiden (v.a. Durchfeuchtung, Schimmelpilzbefall).
Die Mindestanforderungen an den Wärmeschutz sind in der DIN-Norm 4108 „Wärmeschutz im Hochbau“ festgeschrieben. Sie entstand zum ersten Mal 1952 und wurde mit steigenden Ansprüchen an Wohnqualität und Energieeinsparung mehrfach geändert und ergänzt.
Allgemeine Begrifflichkeiten
Wärmebedarf
Der „Wärmebedarf“ ist die Gesamtmenge an Wärmeenergie, die in einem Gebäude benötigt wird, um gesunde und behagliche Aufenthaltsbedingungen zu schaffen. Er setzt sich aus dem „Transmissionswärmeverlust“ und dem „Lüftungswärmeverlust“ (Transmissionswärmeverlust + Lüftungswärmeverlust = Wärmebedarf) zusammen. Damit ist der Wärmebedarf sowohl von den bauphysikalischen Eigenschaften der Außenbauteile als auch vom Nutzerverhalten abhängig.
Transmissionswärmeverlust
Der “Transmissionswärmeverlust“ ist diejenige Menge an Wärmenergie, die aufgrund von Wärmeleitung durch die Außenbauteile eines Gebäudes hindurch von innen nach außen verlorengeht. Er muss zur Aufrechterhaltung gesunder und behaglicher Aufenthaltsbedingungen durch eine Wärmeenergiemenge in gleicher Höhe wieder ausgeglichen werden (Anteil des Wärmebedarfs). Damit ist der Transmissionswärmeverlust entscheidend von dem Wärmedurchgangswiderstand der Außenbauteile abhängig.
Lüftungswärmeverlust
Der „Lüftungswärmeverlust“ ist diejenige Menge an Wärmeenergie, die durch den Austausch der Innenluft eines Gebäudes mit der Außenluft verlorengeht. Auch er muss zur Aufrechterhaltung wohnlicher Aufenthaltsbedingungen durch eine Wärmeenergiemenge in gleicher Höhe wieder ausgeglichen werden (Anteil des Wärmebedarfs).
Der Lüftungswärmeverlust berücksichtigt sowohl diejenige Luftmenge, die durch Undichtigkeiten von Außenbauteilen ausgetauscht wird (v.a. Fenster- und Türfugen), als auch diejenige, die durch regelmäßiges absichtliches Lüften ausgetauscht wird (i.d.R. Öffnen der Fenster). Damit ist der Lüftungswärmeverlust sowohl von den bauphysikalischen Eigenschaften der Außen Bauteile (Luftdichtigkeit) als auch vom Nutzerverhalten abhängig.
Wärmegewinne
Zu unterscheiden sind „Äußerer Wärmegewinn“ und „Innerer Wärmegewinn“. Der „Äußere Wärmegewinn“ ist diejenige Menge an Wärmeenergie, die durch Sonneneinstrahlung in ein Gebäude gelangt. Er beinhaltet sowohl die direkte Sonneneinstrahlung über Glasflächen (größerer Anteil), als auch diejenige Energiemenge, die als Sonneneinstrahlung auf Außenbauteile auftrifft und über Wärmeleitung in das Innere des Gebäudes gelangt. Der „Innere Wärmegewinn“ ist diejenige Menge an Wärmeenergie, die innere Wärmequellen abgeben (z.B. Abwärme von Geräten, Ansammlung von Menschen- aber nicht die Heizung).
Jahresheizwärmebedarf
Der „Jahresheizwärmebedarf“ ist diejenige Menge an Wärmeenergie, die nach Abzug des Inneren und Äußeren Wärmegewinns benötigt wird, um den Transmissions- und Lüftungswärmeverlust auszugleichen.
Wärmeleitfähigkeit ( )
Die „Wärmeleitfähigkeit“ ist eine spezifische Stoffeigenschaft. Sie gibt an, welcher Wärmestrom in Watt (W) durch 1m² einer 1m dicken Schicht des betreffenden Stoffes hindurchgleitet wird, wenn das Temperaturgefälle in Richtung des Wärmestroms 1°K beträgt. (Vollständige Einheit: [W/mK])
Je niedriger die Wärmeleitfähigkeit eines Stoffes, desto höher seine Wärmedämmung. Für Wärmeschutzberechnungen dürfen nur folgende Arten von Werten verwendet werden: 1.) Werte aus DIN 4108, Teil 4 und 2.) Werte aus bauaufsichtlichen Zulassungen (im Bundesanzeiger veröffentlicht).
Beispielhafte Kennwerte:
Material in W/ mK
Beton: 2,1
Glas: 0,75-1,0
Holz: 0,13
Kupfer: 380-400
Ziegelmauer: 0,5-1,4
Luft: 0,024
Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert)
Der “Wärmedurchgangskoeffizient“ – auch U-Wert genannt (früher k-Wert) – bezeichnet den Wärmestrom in Watt (W), der durch 1m² Bauteilfläche im stationären Temperaturzustand hindurchgeleitet wird, wenn der Temperaturunterschied in Richtung des Wärmestroms 1°K beträgt. (Vollständige Einheit: k (W/m°K)).
Je niedriger der Wärmedurchgangskoeffizient, desto höher seine Wärmedämmung. Das Verfahren zur Berechnung des U-Wertes ist in DIN 4108, Teil 4 festgelegt.
Wärmedämmung
Wärmedämmung ist die Eigenschaft eines Baustoffes, Wärmeenergie langsam zu leiten. „Wärmedämmstoffe“ sind Baustoffe, deren Wärmeleitfähigkeit unter 0,1 W/(m·K) beträgt (DIN 4108, Teil 2). Bei allen Wärmedämmstoffen wird die Wirkung über das gleiche Prinzip erreicht: Luft als bester Isolator ist in Form von möglichst kleinen Bläschen in den Dämmstoffen eingeschlossen. Dämmstoffe sind demnach immer leichte Baustoffe mit einer niedrigen Dichte (niedriges spezifisches Gewicht). Die bessere Dämmwirkung gegenüber einer reinen Luftschicht ohne Dämmstoff wird deshalb erreicht, weil bei einer reinen Luftschicht Konvektion und damit eine verstärkte Wärmeableitung stattfindet, die durch die Auftrennung in viele kleine, voneinander getrennte Luftmengen in Bläschenform verhindert wird.
Eine Verstärkung der Dämmwirkung wird durch den vielfachen Medienwechsel der durchgeleiteten Wärmeenergie erreicht (Dämmstoff – Luft – Dämmstoff – Luft – usw.). Das Physikalische Phänomen heißt „Wärmeübergangswiderstand“.
Die Verwendung der Wärmedämmung als physikalische Eigenschaft beim Planen, Konstruieren und Bauen ist dann sinnvoll und notwendig, wenn es darum geht, Innenräume vor zu hohen Transmissionswärmeverlusten zu bewahren. Dies ist grundsätzlich in Klimazonen erforderlich, in denen während großer Teile des Jahres die natürlichen Außentemperaturen unter den für Aufenthaltsräume festgeschriebenen Mindesttemperaturen liegen. Dies ist z.B. für alle Klimazonen Europas nördlich der Alpen der Fall.
Organische Dämmstoffe
Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um zwei Gruppen von Dämmstoffen: Dämmstoffe mit Holz oder holzähnlichen Stoffen und Dämmstoffe mit Erdöl als Grundstoff.
Anorganische Dämmstoffe
Hierbei handelt es sich ebenfalls im Wesentlichen um zwei Gruppen. In der einen werden mineralische Stoffe bei hoher Temperatur und unter Zugabe eines Treibmittels aufgebläht (z.B. Schaumglas, Blähperlit). In der anderen werden aus mineralischen Stoffen unter hoher Temperatur dünne Fasern gewonnen (z.B. Glasfasern), aus denen Faserdämmstoffe in Platten- oder Bahnenform hergestellt werden (z.B. Glaswolle, Steinwolle).
Wärmespeicherung
Unter „Wärmespeicherung“ versteht man die Fähigkeit eines Stoffes oder Bauteils, eine bestimmte Menge an Wärmeenergie aufzunehmen und zu speichern. Erst nach seiner Sättigung leitet er die Wärmeenergie weiter in Richtung des Temperaturgefälles. Dies kann ein Stoff umso besser, desto höher seine Masse und desto geringer seine Leitfähigkeit. (z.B. Natursteine, jedoch kein Metall). Wärmespeichernde Stoffe sind demnach immer schwere Baustoffe mit einer hohen Dichte (hohes spezifisches Gewicht).
Die Verwendung der Wärmespeicherung als physikalische Eigenschaft beim Planen, Konstruieren und Bauen ist dann sinnvoll und notwendig, wenn es darum geht, Innenräume vor Überhitzung durch Sonneneinstrahlung zu bewahren. Dies ist grundsätzlich in Klimazonen erforderliche, in denen während großer Teile des Jahres die natürlichen Außentemperaturen deutlich über den in Aufenthaltsräumen als angenehm empfundenen Temperaturen liegen und eine sehr starke direkte Sonneneinstrahlung erfolgt.
Quelle: Europäische Immobilien Akademie (EIA) Auszug aus dem Lehrgang „Geprüfter Immobilien-Projektentwickler“
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