Bauphysik der Fassade: Prinzipien der Konstruktion 9783035609561, 9783035611342

Table of contents :
Inhalt
1 Einleitung
2 Wärme
3 Feuchte
4 Luftdichtheit
5 Schall
6 Licht
7 Bauphysik in der Praxis
8 Bauphysik und Werkstoffe
9 Bauphysik und Gebäudehülle
Autoren
Auswahlbibliografie
Register
Bildnachweis

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Bauphysik der Fassade Prinzipien der Konstruktion

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Ebenfalls in dieser Reihe bei Birkhäuser erschienen: Ulrich Knaack, Tillmann Klein, Marcel Bilow, Thomas Auer Fassaden – Prinzipien der Konstruktion Dritte und überarbeitete Auflage ISBN 978-3-03821-094-8 Maarten Meijs, Ulrich Knaack Bauteile und Verbindungen – Prinzipien der Konstruktion ISBN 978-3-7643-8668-9 Ulrich Knaack, Sharon Chung-Klatte, Reinhard Hasselbach Systembau – Prinzipien der Konstruktion ISBN 978-3-7643-8746-4

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ULRICH KNAACK EDDIE KOENDERS (HRSG.)

Bauphysik der Fassade Prinzipien der Konstruktion

ELENA ALEXANDRAKIS DAVID BEWERSDORFF INES HAAKE SASCHA HICKERT CHRISTOPH MANKEL

BIRKHÄUSER BASEL

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Wir danken der Technischen Universität Darmstadt für die finanzielle Unterstützung dieses Buches. Ebenso danken wir Ria Stein für ihr Lektorat und Claudia Siegele für ihr Fachlektorat. Ein Dank gilt auch den studentischen Mitarbeitern Barbara Bauer, Sina Aghababaei Najjar und Jacqueline Sienell, die die Zeichnungen erstellt haben. Abschließend geht unser Dank an Prof. Dr. Normen Langner für die inhaltlichen Korrekturen und die Unterstützung.

Layout, Covergestaltung und Satz: Nicole Schwarz, Typolabor, Berlin Grafisches Grundkonzept der Reihe „Prinzipien der Konstruktion“: Oliver Kleinschmidt, Berlin Autorenschaft der Texte: 1 Einleitung – Ulrich Knaack, Eddie Koenders 2 Wärme – Christoph Mankel 3 Feuchte – Elena Alexandrakis, David Bewersdorff 4 Luftdichtheit – David Bewersdorff 5 Schall – Ines Haake 6 Licht – Sascha Hickert 7 Bauphysik in der Praxis – David Bewersdorff, Sascha Hickert, Ulrich Knaack 8 Bauphysik und Werkstoffe – Eddie Koenders 9 Bauphysik und Gebäudehülle – Ulrich Knaack Fachlektorat: Claudia Siegele, bausatz, Karlsruhe Lektorat: Ria Stein, Berlin Herstellung: Amelie Solbrig, Berlin Papier: Magno Satin, 150 g/qm Lithografie: [bildpunkt] Druckvorstufen GmbH, Berlin Druck: optimal media GmbH, Röbel Coverfotografie: Ed White (Wood Innovation and Design Centre, MGA | Michael Green Architecture, Prince George, 2014) Dieses Buch ist auch als E-Book (ISBN PDF 978-3-0356-0956-1; ISBN EPUB 978-3-0356-0946-2) sowie in englischer Sprache erschienen (ISBN 978-3-0356-1145-8). Library of Congress Cataloging-in-Publication data A CIP catalog record for this book has been applied for at the Library of Congress. Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechts. © 2018 Birkhäuser Verlag GmbH, Basel Postfach 44, 4009 Basel, Schweiz Ein Unternehmen der Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston Gedruckt auf säurefreiem Papier, hergestellt aus chlorfrei gebleichtem Zellstoff. TCF ∞ Printed in Germany ISBN 978-3-0356-1134-2

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Inhalt 7 1 Einleitung 7 Warum Bauphysik? 7 Wärme, Feuchte, Luftdichtheit, Schall und Licht 8 Fassadenmaterial und -konstruktion als Speicher und Barriere 9 Gebäudehülle – Grenze zwischen innen und außen

13 2 Wärme 13 Behaglichkeit 13 Wärmetransport 17 Wärmeübergangswiderstand 17 Wärmespeicherfähigkeit 18 Wärmedurchgang durch Bauteile 20 Sommerlicher Wärmeschutz 21 Wärmeschutz am Beispiel von vier Außenwandkonstruktionen 23 Wärmebrücken 24 Zusammenfassung Wärme und typische Wandaufbauten

57 5 Schall 57 Grundlagen 62 Bauakustik 64 Luftschallschutz von Wänden 68 Luftschallschutz am Beispiel von vier Außenwandkonstruktionen 69 Trittschallschutz von Decken 70 Raumakustik 72 Zusammenfassung Schall und typische Wandaufbauten

75 6 Licht 75 Grundlagen 77 Photometrische Größen 83 Tageslicht und Kunstlicht im Vergleich 88 Sonnenschutz und Blendschutz 90 Tageslichtlenkung

93 7 Bauphysik in der Praxis 95 Wärmeschutz 98 Feuchteschutz 100 Luftdichtheit 102 Schallschutz

105 8 Bauphysik und Werkstoffe 27 3 Feuchte 28 Grundlagen 28 Luftfeuchte 29 Beanspruchungen des Gebäudes durch Wasser 34 Hygiene 36 Wassertransport 40 Feuchteschutz am Beispiel von vier Außenwandkonstruktionen 42 Zusammenfassung Feuchte und typische Wandaufbauten

106 Beton 108 Ziegel 110 Stahl 112 Glas 114 Holz 117 Weitere ökologische Baumaterialien

119 9 Bauphysik und Gebäudehülle 119 Anforderungen an die Gebäudehülle 122 Konstruktionstypen der Fassade 128 Potenziale für die Zukunft

45 4 Luftdichtheit 45 Grundlagen 45 Lüftung 49 Zugluft 49 Luftdruck 54 Zusammenfassung Luftdichtheit und typische Wandaufbauten

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Anhang 129 Autoren 130 Auswahlbibliografie 132 Register 135 Bildnachweis

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1 Einleitung WARUM BAUPHYSIK? Schon in der Planungsphase ist es notwendig, sich auch mit den physikalischen Aspekten in Gebäuden zu beschäftigen. Ein Beispiel: Als Resultat eines vom kommerziellen Erfolg getriebenen Wohnungsbaus im Berlin der Gründerjahre (ab ca. 1870) wurden Wohnungen so kompakt organisiert, dass lediglich der Wenderadius der Feuerwehrspritze die Dimension von Innenhöfen definierte – 5,34 × 5,34 m. In der Konsequenz mangelte es an notwendiger Belüftung der Wohnungen, was zuerst die Menschen und in einem zweiten Schritt die Gebäude schädigte, da aufgrund der mangelnden Lüftung sowie der unzureichenden Heizsysteme eine zu hohe Feuchte entstand. Einfache Regeln zur minimalen Belüftung haben hier Abhilfe geschaffen – und zeigen die Relevanz physikalischer Gegebenheiten in Gebäuden. Mit der Energiekrise 1973 wurde die Beschäftigung mit dem Energieverbrauch von Gebäuden ein wesentlicher Aspekt in der Planung: bessere Dämmung, effizientere Heiz- und Kühlsysteme sowie eine energetisch optimale Orientierung des Gebäudes waren die Folgen. Aber nicht nur das Sparen von Energie, sondern ein allgemeines Wohlbefinden der Nutzer ist das Ziel der Planung und Realisierung von Gebäuden – und hier beginnt das Thema Bauphysik sich zu entwickeln. Die Bauphysik beschäftigt sich mit Übergangsphänomenen innerhalb einer Konstruktion und zwischen Materialien. Hierbei sind die Phänomene Wärme, Feuchte, Luftdurchlässigkeit, Schall und Licht zu unterscheiden. Untersucht und beurteilt werden der Energietransport sowie die Umwandlungsprozesse und deren Einflüsse auf das Bauteil selbst sowie die angrenzenden Bereiche innen und außen. Hierdurch können sowohl die Vorgänge erklärt werden als auch Vorhersagen zur erwartbaren Leistungsfähigkeit von Konstruktionen erfolgen. Interessant ist jedoch nicht nur das Ergebnis des einzelnen Vorgangs, sondern auch das Zusammenwirken der verschiedenen Phänomene, beispielsweise das Kondensieren von Wasser an kalten Oberflächen wie einer nicht gedämmten massiven Wand als Resultat der temperaturabhängigen Wasseraufnahmekapazität von Luft – mit dem Risiko von Schimmelbildung oder Frostschäden. Neben diesen bautechnischen Aspekten ist ein weiterer wesentlicher Themenbereich die Behaglichkeit, also das körperliche und seelische subjektive Wohlbefinden einer Person. Da dieses subjektiv ist, genügt der einfache Nachweis einzelner technischer Aspekte nur bedingt, um eine vollständige Bewertung vorzunehmen. Die Verknüpfung der verschiedenen Phänomene sowie eine bewusste Akzeptanz der subjektiven Bewertung ist wesentlich – wir werden nicht in der Lage sein, für alle Personen ein optimales Raumklima zu jeder Zeit herzustellen, haben aber das Ziel erreicht, wenn 80 % der Nutzer im Wesentlichen zufrieden sind.

WÄRME, FEUCHTE, LUFTDICHTHEIT, SCHALL UND LICHT Inhaltlich wird die Bauphysik in die Themen Wärme, Feuchte, Luftdichtheit, Schall und Licht gegliedert, auch wenn zwischen den Bereichen deutliche Verknüpfungen bestehen. Der Bereich Wärme befasst sich mit der Entstehung und dem Transport von Wärme durch die Luft und durch Bauteile. Hierbei werden auch die physikalischen Phänomene des Wärmeübergangs von einem in ein anderes Medium als auch die verschiedenen Aggregatzustände vor allem des Wassers behandelt. Ein weiterer Aspekt ist die Wirkung der Phänomene auf den Menschen und dessen Wohlbefinden. Im Bereich der Feuchte werden neben den konstruktiven Fragen, die durch Wasser am Gebäude E I N LE ITU NG

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entstehen, auch die des in Luft gebundenen Wassers behandelt. Zu beachten sind die Wasseraufnahme und Wasserabgabe von Luft bei unterschiedlichen Temperaturen und die daraus für eine Konstruktion entstehenden Konsequenzen wie Wasserausfall an kalten Flächen. Die beiden Erscheinungen Wärme und Feuchte werden auch direkt durch die Luftdichtigkeit beeinflusst. Undichte Konstruktionen ermöglichen sowohl den Wärmeaustausch als auch das Eindringen von Feuchte. Entsprechend sind Konstruktionen zu schützen oder mit Entlüftungsmöglichkeiten auszulegen. Der Bereich Schall steht etwas losgelöst von den Themenkomplexen Wärme und Feuchte. Hier geht es um die Ausbreitung von Schall als Energieimpuls in der Luft (Luftschall) oder in Bauteilen (Körperschall). Hieraus resultierend muss bei einer Planung entschieden werden, ob Bauteile flexibel oder schwer ausgeführt werden, um die Ausbreitung des Schalls zu minimieren. Ein über den Umfang des Buches hinausgehender Aspekt ist die gezielte Steuerung von Schall, um akustische Effekte zu erreichen. Licht ist zum einen wesentlich, um die Funktion eines Gebäudes zu ermöglichen – ob nun als natürliche Belichtung von außen oder als Kunstlicht. Darüber hinaus beschäftigt sich dieser Bereich mit der Notwendigkeit einer direkten Außenbeziehung des Gebäudes sowie der Reduzierung des Energieeintrags durch Sonnenlicht mittels Verschattung.

Auswirkungen auf den Menschen Als Mensch steht man in kontinuierlicher Wechselwirkung mit dem Gebäude, in welchem man sich befindet. Es ist deshalb wichtig, das bauphysikalische Verhalten des Gebäudes und dessen Einflüsse auf den Menschen zu verstehen und zu steuern. Fassaden und die Materialien, aus denen diese gefertigt worden sind, bestimmen wesentlich diese Umgebung des Menschen und sein Wohlbefinden. Die gewählten Geometrien der Fassaden zusammen mit den Materialien beeinflussen maßgeblich die Wechselwirkung zwischen Mensch und Gebäude. Das menschliche Wohlbefinden ist subjektiv. So ist es möglich, dass sich in einem Gebäude eine Person sehr behaglich fühlt, weil Wärme und Feuchte entsprechend dem individuellen Empfinden ausgeglichen sind, während an gleicher Stelle eine andere Person sich sehr unbehaglich fühlen kann, da sie beispielsweise nach einer sportlichen Aktivität überhitzt ist. Es ist die Aufgabe der Bauphysik, diese Umgebungsbedingungen des Gebäudes so zu organisieren, dass im Durchschnitt ca. 80 % der Nutzer zufrieden sind. Die Wechselwirkung zwischen Mensch und Gebäude beinhaltet eine sensitive Bilanzierung der bauphysikalischen Einflüsse wie Wärme, Feuchte, Luftdichtigkeit, Schall und Licht. Schon kleine Änderungen dieser Einflüsse können eine Situation, in der sich ein Mensch befindet, von angenehm in unangenehm umwandeln. So kann eine kleine Änderung der Temperatur dazu führen, dass unser Körper beginnt Energie an die Umgebung abzugeben mit dem Ziel, die Bilanz wiederherzustellen. Dies führt dazu, dass unsere Körpertemperatur reduziert wird und wir dies als zu kalt empfinden. Im gleichen Sinne gilt das für die übrigen bauphysikalischen Einflüsse wie zum Beispiel Feuchte: Wir beginnen zu schwitzen, wenn die Feuchte in einem Raum zu hoch ist. Wichtig ist also, immer die Bilanz der bauphysikalischen Einflüsse zu betrachten und als Gesamtes zu optimieren – sodass wir Menschen uns unter allen Bedingungen wohlfühlen.

FASSADENMATERIAL UND -KONSTRUKTION ALS SPEICHER UND BARRIERE Das Material, aus welchem eine Konstruktion aufgebaut werden soll, hat neben den konstruktiven Funktionen auch bauphysikalische Bedingungen zu erfüllen. Im letzten Jahrzehnt sind die Ansprüche, die von Menschen an Gebäude gestellt werden, stetig gestiegen. Auch die Diskussionen rund um den Klimawandel haben das Bewusstsein der Menschen sowie deren Verständnis von Wohlbefinden im Gebäude weiter beeinflusst. Material und Konstruktion sind damit in ihrer wechselseitigen Abhängigkeit weiter zusammengewachsen. Sie bieten so die Möglichkeit, die Umgebung des Menschen und damit sein Wohlbefinden mit integralen Lösungen zu beeinflussen. Moderne Entwicklungen im Bereich der Bauphysik orientieren sich immer mehr an der Energieeffizienz des Gesamtgebäudes. Hierbei werden Fassaden und ihre Materialien als energieaktives Teil 8

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des Gebäudes betrachtet. Wärmeüberflüsse werden über Wände und Fassaden an die Umgebung abgegeben oder in den Wänden gespeichert ≥ 1. Moderne Werkstoffentwicklungen ermöglichen diese Form von Energiespeicher und führen dazu, dass das Gebäude nicht nur als Hülle und Konstruktion, sondern als energieaktives Element betrachtet werden kann: Die Speicherung von Wärme in Material oder Konstruktionselementen wird bereits in Prototypen angewendet. Wärmespeicherung durch sogenannte Phasenwechselmaterialien (PCMs) kann beispielsweise in Gipsplatten erfolgen, um damit die Temperatur in Räumen zu steuern und entsprechend Energie einzusparen. Auf diese Weise werden die Bauphysik, das Material und die Konstruktion als integrale Lösung energetisch optimiert. Weitere Einwicklungen in diesem Bereich führen zu neuen integrierten Material- und Konstruktionskonzepten wie zum Beispiel Gradientbetone, bei welchen gezielt Wärmespeicher- oder Barriereeigenschaften des Betons ≥ 2 genutzt werden. Hier öffnet sich eine neue Welt von Möglichkeiten, welche im Bereich der Bauphysik als Schnittstelle zwischen Material und Konstruktion neue und innovative Lösungen erkennen lassen.

GEBÄUDEHÜLLE – GRENZE ZWISCHEN INNEN UND AUSSEN Die Gebäudehülle stellt die Grenze zwischen innen und außen dar – hier wird der Energiefluss unterbrochen bzw. gelenkt. Entsprechend hat die Gebäudehülle direkt und maßgeblich Einfluss auf den Innenraum und dessen Funktionalität sowie auf den Energiehaushalt des Gebäudes. Je nach Konstruktion, Fügung und verwendeten Materialien werden Energieströme und Feuchtetransport unterbunden und begrenzt oder ermöglicht, so gewünscht. Gute Dämmeigenschaften erlauben es, sowohl im Winter die Wärme im Gebäude zu halten als auch im Sommer die Wärme auszugrenzen ≥ 3. Materialien/Konstruktionen, die dies leisten, sind im Allgemeinen leicht und außerdem schlechte Wärmeleiter und entsprechend meist nicht als tragende Konstruktion geeignet. Im Gegensatz hierzu

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Forschungsprojekt ETA-Fabrik, Technische Universität Darmstadt, 2016 Bei diesem energieeffizienten Versuchsgebäude nimmt die äußere Fassade mittels Solarthermie Sonnenenergie auf und gibt sie in Speichersysteme ab. Im Bedarfsfall wird die Energie in den Innenraum abgegeben. Dieses Prinzip kann bei Bedarf an Kühlung auch umgekehrt verwendet werden.

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Wärmedämmender Schaum aus Beton Mineralisierter Schaum kann bei Rohdichten unter 200 kg/m³ als Wärmedämmung eingesetzt werden. Sein Porenanteil liegt bei ca. 90 %, die Feststoffmatrix besteht meist aus Zementstein sowie Zusatzstoffen.

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Unilever-Haus, Hamburg, Behnisch Architekten, 2009 Die Doppelfassade besteht aus einer inneren Glasebene und einer äußeren Folienfassade. Der Luftzwischenraum dient zur klimatischen Konditionierung der Büroräume.

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Bürogebäude Manitoba Hydro Place, Winnipeg, KPMB Architects, 2009 Mittels der im Solarkamin entstehenden Thermik wird das Bürogebäude entlüftet und erzeugt einen Sog, um Frischluft in das Gebäude zu bringen (Klimakonzept: Transsolar).

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können massive Konstruktionen nicht nur die Funktion des Tragens übernehmen, sondern sind als gute Wärmeleiter auch in der Lage, Wärme zu speichern – und damit über einen Tageszyklus zu bewahren und abzugeben, ein Umstand, der zur Ausbalancierung von Temperaturunterschieden dienen kann. Diese Widersprüchlichkeit gilt es bei der Wahl der Konstruktion der Gebäudehülle zu beachten und so zu nutzen, dass die für eine Funktion notwendigen Vorteile optimiert werden – im genannten Beispiel mit einer inneren tragenden und schweren Konstruktion, die außen mit einem leichten und nicht tragenden Material gedämmt wird. Selbstverständlich ist diese Wahl abhängig vom umgebenden Klima und der Funktion des Gebäudes. Die in diesem Buch vorgestellten Konstruktionen sind übliche technische Lösungen und beruhen auf Systemen, die breite Anwendung finden. Hierfür haben sich für die Bereiche Wärme, Feuchte, Luftdichtigkeit, Schall und Licht jeweils Strategien entwickelt, die für die Konstruktionen optimale technische und wirtschaftliche Lösungen darstellen. Da es wie beschrieben immer um ein Abwägen der einzelnen bauphysikalischen Themen sowie der jeweiligen Lösungen geht, sind auch hier nicht immer alle Aspekte vollständig lösbar – entsprechende konstruktive Kompromisse werden aufgezeigt.

Klimadesign als Instrument für bessere Häuser Die Kombination der für die Bauphysik wesentlichen Komponenten des Gebäudes, des Materials und der Gebäudehülle findet sich im Klimadesign oder Klima-Engineering ≥ 4. Diese relativ neue Planungsdisziplin befasst sich mit der direkten Abhängigkeit von biophysikalischen Phänomenen von der Gebäudekubatur, der Maße (Materialien) im Gebäude, der Gebäudehülle (Konstruktion, Anteil transparenter Flächen), der Gebäudeausrichtung sowie der durch die Funktion eingebrachten Energiequellen und der für das Wohlbefinden der Nutzer notwendigen Qualitäten. Durch die integrale Betrachtung all dieser Parameter und der Optimierung einzelner Aspekte gelingt es, nicht nur in der Funktionalität, sondern auch im Energieverbrauch des Gebäudes effizienter zu werden. Weitere Entwicklungen hinsichtlich verbesserter Gebäude werden sich mit dem Thema der für die Herstellung von Materialien notwendigen Energie – der grauen Energie – beschäftigen: Hier wird das Verhältnis der für die Herstellung von Materialien und Konstruktionen notwendigen Energie im Verhältnis zur einzusparenden Energie für die Funktion des Gebäudes entscheidend für die Planung sein. In gleicher Weise erscheinen Konzepte, bei denen eine Anpassung der material- und konstruktionsbezogenen Parameter erfolgen kann, erfolgversprechend. Gebäudehüllen, welche aus schaltbaren Materialien bestehen, die je nach Notwendigkeit und Energiehaushalt Wärme aufnehmen, speichern und abgeben können, bieten die Möglichkeit, die Tages- und Nachtzyklen auszugleichen, und leisten damit einen Beitrag zum Gesamtenergiehaushalt des Gebäudes. Wirtschaftlich könnte man hier sogar von „Bauphysik 4.0“ sprechen, wobei integrale Lösungen nicht nur die Konstruktionsplanung enthalten, sondern auch das Energieeinsparpotenzial durch Wärmespeicherung, die mögliche Verwendung von bio-basierten Lösungen, das Ausnutzen des Wiederverwendungspotenzials von Rohstoffen – und das alles basierend auf modernen digitalen Produktionstechnologien. Es ergeben sich gewaltige Herausforderungen – wobei auf den Bausektor zudem große Investitionen in Wissen und moderne Technologien zukommen werden.

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2 Wärme Wärme bzw. Wärmeenergie ist für den Menschen ein leicht greifbares physikalisches Phänomen. Dies liegt unter anderem daran, dass die Temperatur als lineares Maß dieser Energie für den Menschen gut spürbar ist. Wir nehmen also Wärme direkt durch unser größtes Organ – die Haut – wahr und können sehr gut zwischen niedrigen Temperaturen im Winter und hohen Temperaturen im Sommer unterscheiden. Physikalisch betrachtet ist Wärme eine Energieform, die aus der Bewegungsenergie der Atome und Moleküle von Materie resultiert. Im Bauwesen spielt Wärmeenergie eine große Rolle. Das Ziel ist es, ein für den Menschen thermisch behagliches und hygienisches Raumklima zu erreichen. Im Winter müssen Räume beheizt und im Sommer eventuell gekühlt werden. Hierbei soll möglichst wenig Energie verbraucht werden. Zusätzlich muss eine Tauwasserbildung an Bauteiloberflächen zwingend vermieden werden, damit kein Schimmelpilzwachstum entsteht. Eine Gebäudehülle muss daher einen gewissen Dämmstandard aufweisen – dafür sind entsprechende Vorkehrungen zu treffen. Um diese fachlich korrekt zu planen, sind grundlegende Kenntnisse auf dem Gebiet der Wärmelehre erforderlich.

Wärme hängt von der Umgebungstemperatur, der Tätigkeit und der Bekleidung ab. Man geht dazu von einer 80 kg schweren Person aus. Bei 20 °C ergibt sich in ruhender Position (Sitzen) eine Wärmeabgabe bzw. ein Wärmestrom von rund 100 W. Der vom Körper abfließende Wärmestrom setzt sich aus der konvektiven Wärmeabgabe an die Raumluft und der radiativen Wärmeabgabe an Raumumgebungsflächen zusammen. Je größer der Temperaturunterschied zwischen Körpertemperatur und Raumtemperatur bzw. der raumbegrenzenden Oberflächentemperatur ist, desto größer ist der entstehende Wärmestrom. Dieser Zusammenhang wirkt sich negativ auf das Behaglichkeitsempfinden aus. Besonders deutlich wird dieser Effekt, wenn sich Personen im Winter in der Nähe von kalten Bauteiloberflächen wie zum Beispiel großflächigen Fenstern aufhalten. Der Wärmestrom zwischen Körperoberfläche und Bauteiloberfläche kann so groß werden, dass ein unangenehmes Zuggefühl auf der Hautoberfläche entsteht. Erhöht man die Wandoberflächentemperatur, verbessert sich auch unmittelbar das Wohlbefinden. Des Weiteren ist der Zusammenhang zwischen Temperatur und relativer Luftfeuchte von großer Bedeutung. Bei Temperaturen von 21 °C (± 2 °C) kann die relative Luftfeuchte zwischen 35–70 % schwanken und wird trotz dieser erheblichen Spanne als behaglich empfunden. Höhere Temperaturen und/oder steigende relative Luftfeuchtigkeit erzeugen das Gefühl einer drückenden Schwüle. Hohe Luftfeuchten behindern die körpereigene Temperaturregulierung, weil beim Schwitzen kaum mehr Energie durch den Effekt der Verdunstungskälte abgegeben werden kann. Niedrige Temperaturen mit hohen relativen Luftfeuchten werden als typisch nasskalt empfunden. Hierbei wird dem Körper Wärme über die höhere Wärmeleitfähigkeit der Luft entzogen, und die entstehende Verdunstungskälte auf der Hautoberfläche kühlt den Körper zusätzlich aus.

WÄRMETRANSPORT BEHAGLICHKEIT Das Wohlbefinden eines Menschen trägt entscheidend zu dessen Gesundheit und Leistungsfähigkeit bei. Innerhalb eines Gebäudes ist das Raumklima hierfür der ausschlaggebende Faktor. Je nach Kleidung und Aktivität des Bewohners sind Raumtemperatur und relative Luftfeuchte entsprechend anzupassen. Aber auch die Temperatur der Bauteiloberflächen und die Luftgeschwindigkeit beeinflussen das Wohlempfinden der Menschen, die zudem hinsichtlich des Raumklimas ganz unterschiedliche Empfindungen haben. Insofern ist die Behaglichkeit keine exakte, sondern eine subjektive Größe. Referenzgrößen als Beurteilungsgrundlage für ein behagliches Raumklima sind über ein sogenanntes akzeptables Raumklima geregelt. Nach DIN EN ISO 7730 müssen 80 % empirisch ermittelter Personendatensätze ein Raumklima als thermisch behaglich einstufen. Ein behagliches Empfinden wird dann erreicht, wenn mit möglichst geringem Aufwand ein Gleichgewicht zwischen der im Körper erzeugten Wärmeleistung und dem vom Körper abgegebenen Wärmestrom geschaffen wird. Die vom Körper abgegebene

Wärme ist eine Energieform, die mit der Temperatur als Zustandsgröße einhergeht. Die Temperatur ist ein Maß für die Bewegungsenergien der Teilchen innerhalb eines Stoffes oder Stoffsystems. Dies gilt sowohl für die Schwingungsenergie der Moleküle fester Körper als auch für die Molekülbewegung in unregelmäßigen Bahnen bei Gasen und Flüssigkeiten. Der Transport von Wärmeenergie ist grundsätzlich an eine Temperaturdifferenz in einem Stoffsystem gebunden. Dabei wird Wärme immer von einem hohen Temperaturniveau in Richtung des niedrigeren Temperaturniveaus transportiert. Der sich ergebende Wärmestrom bezeichnet die pro Zeiteinheit transportierte Wärmemenge. Bezogen auf eine Übertragungsfläche ergibt sich die Wärmestromdichte. Die wichtigsten Wärmeübertragungsmechanismen der Wärmelehre sind Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung.

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Wärmeleitung Das Phänomen der Wärmeleitung beschreibt den maßgebenden Wärmetransportmechanismus in festen Stoffen und Stoffsystemen, die miteinander in Berührung stehen. Jedes Atom eines Stoffes schwingt in Abhängigkeit der Temperatur innerhalb seines Schwingradius um seine Position der Ruhelage. Die Position der Ruhelage entspricht dem Standort eines Atoms im Stoffgefüge bei 0 ° Kelvin = – 273,15 ° Celsius (absoluter Nullpunkt). Befindet sich ein Atom in absoluter Ruhelage, geht von ihm keine Bewegungsenergie aus. Bei steigender Temperatur erhöht sich die Schwingungsenergie der Atome. Je nach Gefügestruktur eines Stoffes oder Stoffsystems sind dessen Atome in Molekülstrukturen, Atomgitterstrukturen oder gemischten Strukturen angeordnet. Je dichter die Atome und Moleküle gepackt sind, desto häufiger überlappen sich deren Schwingradien und desto höher ist die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoßes während der Schwingbewegung. Über die Zusammenstöße wird Wärmeenergie von stark schwingenden Atomen und Molekülen an angrenzende schwach schwingende übertragen und durch ein Stoffsystem geleitet. Das Materialmodell  ≥ 1 visualisiert die Wahrscheinlichkeit potenzieller Zusammenstöße in Abhängigkeit der Materialstruktur.

Die stoffspezifische Größe zur Beschreibung der Wärmeleiteigenschaften eines Materials ist die Wärmeleitfähigkeit λ [W/mK]. Die Wärmeleitfähigkeit gibt an, wie viel Wärmeenergie pro Längeneinheit einer Materialschicht und einem Temperaturdelta von 1 K transportiert wird. Die Wärmeleitfähigkeit wird durch die Faktoren Rohdichte, Feuchtegehalt und Temperatur beeinflusst. Materialien mit dichter Atom- und Molekülpackung (hohe Rohdichte) besitzen demnach eine hohe und Materialien mit ausgedünnter Atom- und Molekülpackung (geringe Rohdichte) eine niedrige Wärmeleitfähigkeit. Ferner steigt die Wärmeleitfähigkeit mit zunehmender Feuchte stetig an. Für diesen Effekt sind eingelagerte Wassermoleküle innerhalb der Porenstruktur eines Stoffes verantwortlich, welche als Berührungsbrücken zwischen der Molekülstruktur wirken und demnach den Energietransport begünstigen. Aufgrund der steigenden Bewegungsenergie nimmt in aller Regel die Wärmeleitfähigkeit sowohl von dichten als auch von porösen Stoffen mit steigender Temperatur zu. Bemerkenswert ist, dass der Effekt bei porösen Stoffen, wie zum Beispiel einigen Dämmstoffen, stärker ausgeprägt ist. Die allgemeine Wärmeleitgleichung nach dem Fourier’schen Gesetz beschreibt das Phänomen der Wärmeleitung durch eine Materialschicht im eindimensionalen Fall ≥ 2.

Material mit geringer Rohdichte

ρc

∂T ∂2 T =λ 2 ∂t ∂x

mit λ Wärmeleitfähigkeit [W/mK] ρ Rohdichte [kg/m³] c spezifische Wärmekapazität [J/kgK]

Q

Material mit hoher Rohdichte

θ(X,t)

θ1

Q

dθ dx

θ2 (λ,ρ,c)

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X Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Materialrohdichte Das Materialmodell zeigt die über Federsysteme verbundenen Atome bzw. Moleküle sowie deren Schwingbewegungen in Abhängigkeit von der Materialstruktur, wobei Q die speicherbare Wärmeenergie ist. Je dichter eine Gefügestruktur ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit potenzieller Zusammenstöße. Das Modell zeigt vereinfacht nur die Schwing-bewegungen in horizontaler Richtung. Die reale Molekülbewegung und Wärmeübergabe erfolgt im dreidimensionalen Raum.

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Wärmeleitgleichung nach dem Fourier’schen Gesetz Die Wärmeleitgleichung beschreibt die materialspezifische, instationäre Temperaturverteilung über einen Materialquerschnitt in Abhängigkeit von der Materialschichtdicke und der Zeit.

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In aller Regel treten in der Natur immer instationäre Randbedingungen auf. Wie sich die Temperatur über einen Querschnitt verteilt und in welchem Zeitraum dies geschieht, hängt von der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmespeicherkapazität des Stoffes ab. Diese Effekte formuliert der Temperaturleitkoeffizient α=

λ ρ c •

Er beschreibt die Geschwindigkeit, mit der eine Temperaturwelle durch einen Stoff mit einer Fläche von 1 m² transportiert wird, also wie schnell ein Werkstoff auf eine Temperaturänderung reagiert. In diesem Buch werden stationäre Bedingungen unterstellt. Aufgrund dessen ergeben sich zeitlich unabhängige Randbedingungen mit einer konstanten Temperaturverteilung.

Konvektion Die Wärmeübertragung durch Konvektion erfolgt durch die Übergabe von Wärmeenergie eines Körpers an ein vorbeiströmendes Medium, wie zum Beispiel Luft, oder umgekehrt durch die Übergabe von Wärmeenergie eines strömenden Mediums an einen Körper. Erwärmt eine Wärmequelle Luftmoleküle, so geraten diese in Bewegung. Die erwärmte Luft nimmt ein größeres Volumen ein und verringert somit ihre Dichte. Die warme Luft steigt auf und kühlt stetig ab. Während des Abkühlens ergibt sich eine Volumenabnahme, sodass die dichter werdende kalte Luft wieder absinkt. Dieser Prozess verursacht eine kontinuierliche gegenläufige Strömung.

Strömen die warmen Luftmoleküle an einer kalten Oberfläche eines Körpers entlang, wird die Wärmeenergie an die Körperoberfläche abgegeben. Analog können warme Körperoberflächen Wärmeenergie an die angrenzenden Luftmoleküle abgeben, wobei sich wiederum eine Strömung ergibt. Dieser auf unterschiedlichen Dichten basierende Vorgang wird als freie Konvektion bezeichnet. Im Gegensatz zur freien Konvektion kann ein Konvektionsstrom auch mit einer Luftströmungsquelle, wie zum Beispiel einem Gebläse oder Wind, künstlich erzeugt werden. Diese Art der Strömungsbewegung nennt man „Erzwungene Konvektion“. Die sich ergebende Wärmestromdichte q zwischen einem Körper und einem angrenzenden gasförmigen oder liquiden Medium hängt zum einen von der Temperatur des strömenden Mediums θU und der Körperoberflächentemperatur θS ab. Zum anderen beeinflussen die Oberflächenrauigkeit eines Körpers und die Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums die Wärmeübertragung signifikant. Diese beiden Einflussparameter sind in dem konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten hv berücksichtigt. Die konvektive Wärmestromdichte q ergibt sich durch die Multiplikation des Wärmeübergangskoeffizienten hv mit dem vorherrschenden Temperaturunterschied zwischen dem strömenden Medium θU und der Körperoberflächentemperatur θS. Je größer der Temperaturunterschied und der Wärmeübergangskoeffizient sind, desto größer ist der sich ergebende Wärmestrom und desto besser ist die Wärmeübertragung ≥ 3. q = hv ( θs – θu )

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Wärmeübertragung durch Konvektion Die Grafik zeigt eine Konvektionsströmung, welche von einer Wärme- und/oder Luftströmungsquelle hervorgerufen wird. Warme Luft mit geringerer Dichte (rot) steigt nach oben und kalte Luft mit höherer Dichte (schwarz) sinkt nach unten. Die erwärmten Luftmoleküle strömen an einer kalten Wandoberfläche entlang und übertragen dort ihre Wärmeenergie. Abgekühlte Luftmoleküle sinken wieder nach unten, sodass sich eine gegenläufige Konvektionsströmung einstellt.

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Wärmeübertragung durch Strahlung Strahlungsenergie wird durch die sich in Bewegung befindenden Atome bzw. Moleküle eines Stoffes erzeugt und in Form von elektromagnetischen Wellen ausgesandt. Je stärker die Bewegungsenergie der Atome bzw. Moleküle eines Stoffes ist, desto höher ist die von ihm ausgehende Strahlungsenergie. Ein Stoff, der Strahlungsenergie empfängt oder aussendet, wird in der Physik als Strahler bezeichnet. Die Gesamtenergie eines Strahlers setzt sich aus der kurzwelligen, sichtbaren Lichtenergie (Wellenlänge: 0–3000 nm) und der langwelligen Infrarotstrahlung (Wellenlänge: von 3000 nm bis 800 µm) zusammen. Die Wellenlänge der Strahlung verschiebt sich nach dem Wien’schen Verschiebungsgesetz mit steigender Temperatur zu immer kürzeren Längen. Wird beispielsweise einem Eisenstab Energie zugeführt, erwärmt sich der Stab und sendet zunächst nicht sichtbare Wärmestrahlung über Infrarotstrahlung aus. Erhitzt man den Stab weiter, beginnt er rot zu glühen. Jetzt addiert sich zur unsichtbaren Strahlung ein Teil kurzwelliger, sichtbarer Strahlung. Durch weiteres Erwärmen erhöht sich der Teil kurzwelliger sichtbarer Strahlung immer weiter, bis der Stahl weißlich glüht. Der gesamte Energietransport der Strahlung E setzt sich aus den Anteilen Reflexion ρ, Absorption α, Transmission τ und Emission ε zusammen. Die Anteile der Strahlung können in einer Gesamtbilanz dargestellt werden ≥ 4.

Einstrahlungsenergie EE = Eρ + Eα + E τ (ρ + α + τ  = 1) Ausstrahlungsenergie EA = Eρ + Eε + Eτ (ρ + ε + τ  = 1)

Wärmeübertragung Wärmeleitung

Emission Eε

d

Transmission Eτ

Absorption Eα

Re

fle

xio

n

E

ρ

Strahlungsenergie E

Ausstrahlung

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Emission Eε

Ausstrahlung

Transmission Eτ

Einstrahlung

Wird Energie nur durch Strahlung transportiert, herrscht für EE = EA Temperaturkonstanz. Für EE ≠ EA verbleibt eine Differenz, die entweder bei EE  > EA eine Erwärmung und bei EE