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Architekt Dipl.-Ing.(FH) Christoph Schwan
Eine neue Bauphysik Bauphysikalische Betrachtungen Betrachtungen
2 Inhaltsverzeichnis
Vorwort ........................................................ ................................... .......................................... ................................ ........... 5 Was ist eigentlich Bauphysik? ........................................... ...................... ................................... .............. 6 Der Mensch........................................ .................... .......................................... ........................................... ..................... 8 Das Raumklima ........................................................ .................................. ......................................... ................... 12 Globale Randbedingungen .................................... ............... .......................................... ....................... .. 14 Die Sonne .......................................... ...................... .......................................... ......................................... ................... 15 Luftmassen ........................................ .................... .......................................... ......................................... ................... 15 Sonneneinstrahlung .......................................... ..................... ........................................... ........................... ..... 15 Das Strahlungsgesetz von Stefan-Boltzmann ................................. ..................... ............ 16 Zur These über eine Gegenstrahlung .......................................... ..................... ....................... .. 18 Einstrahlung aus der Umgebung .......................................... ..................... .............................. ......... 18 Klimakatastrophe und Treibhausthese ........................................ ................... ....................... .. 19 Cui bono? ................................................................................... 21 Was ist nun aber dran an der Treibhausthese? .............................. ..................... ......... 22 Physikalische Grundlagen der energetischen Vorgänge .................. 25 Energie ........................................... ...................... .......................................... .......................................... ....................... .. 25 „Genutzte Energie“ und „ungenutzte Energie“ ................... Energie“ ............................... ............ 26 Strahlungsenergie (Wärmestrahlung).......................................... ..................... ....................... .. 26 Kinetische Wärmeenergie (Bewegungsenergie) ............................. ................. ............ 27 Energieverlagerungen ........................................... ...................... .......................................... ....................... .. 29 Energieübergang von Strahlung in feste Stoffe (Absorption)........... 29 Abstrahlung von Wärmeenergie................... Wärmeenergie........................................ ................................. ............ 30 Austausch von Strahlungsenergie zwischen Flächen ...................... 31 Gleichartige Flächen ................................................ ........................... ......................................... .................... 32 Flächen mit ungleichen Strahlungskoeffizienten (ε) ........................ ................... ..... 32 Mathematische Behandlung von im Strahlungsaustausch stehenden Flächen ....................................... ................... .......................................... ........................................... ..................................... ................ 33 Wärmestrahlung und menschlicher Körper .................................... ............................... ..... 35 Wärmeleitung, Ursachen und Einflüsse ......................................... .......................... ............... 36 Wärmeleitung in mineralischen Baustoffen .................................... .................... ................ 38 Dämmstoffe ....................................... ................... .......................................... ......................................... ................... 39 Was kann ein Dämmstoff eigentlich leisten? .................................. ...................... ............ 40 Bauphysikalische Vorgänge in und an Dämmstoffen Dämm stoffen ...................... .................... .. 44 Das Absaufen von Dämmstoffen .......................................... ..................... .............................. ......... 45 Tauwasser ......................................... ..................... .......................................... ......................................... ................... 46 Nützliche Wirkungen der Kondensation K ondensation ......................................... ...................... ................... 47 Schädliche Wirkungen der Kondensation ....................................... .................... ................... 47 Tauwasser und Massivwände ....................................................... ....................................... ................ 48 Tauwasser auf Außenwänden mit dünnen Dämmschichten ............ ... ......... 49 Dicke Dämmschichten auf Außenwänden ...................................... ................... ................... 50 Veralgung von gedämmten Fassadenoberflächen .......................... ..................... ..... 51 Das Absaufen dicker Dämmstoffe ................................................. ..................................... ............ 53 Tauwasserbildung im Sommer .......................................... ..................... ................................. ............ 57 Die Energiebilanz........................................ ................... .......................................... ................................. ............ 58 Energieabtrag ................................................... .............................. .......................................... .......................... ..... 58 Abstrahlung ....................................... ................... .......................................... ......................................... ................... 59
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Konvektiver Energieabtrag auf Außenflächen................................. Außenflächen............. .................... 61 Energieeintrag........................................ ................... ........................................... ..................................... ............... 63 Energieeintrag durch die Heizanlage ........................................ ................... .......................... ..... 63 Energieeintrag durch Prozesswärme ............................................. ................................. ............ 65 Energieabgabe durch die Bewohner......................................... .................... .......................... ..... 65 Kondensationswärme – Kondensationswärme – ein ein Nullsummenspiel............................ Nullsummenspiel................................. ..... 65 Sonnenenergie ........................................... ...................... .......................................... ................................. ............ 66 Unmittelbare Einstrahlung ........................................ ................... ......................................... .................... 66 Diffuse Einstrahlung ......................................... .................... ........................................... ........................... ..... 67 Umgebungsstrahlung ........................................ ................... ........................................... ........................... ..... 67 Die DIN 4108 und die EnEV .................................. ............. .......................................... ....................... .. 68 Die DIN 4108 ......................................... .................... ........................................... ..................................... ............... 73 Die Wärmeübergangszahl αi („alpha innen“) nach DIN 4108 .......... ........ .. 77 Die Wärmebergangszahl αa („alpha außen“) nach DIN 4108 .......... ........ .. 77 Die EnEV, die Folge eines Denkfehlers ........................................ ................... ....................... .. 78 Das neue Modell zum Heizenergieaufwand .................................... .................... ................ 80 Quantifizierung energetischer Vorgänge ........................................ ..................... ................... 83 Praktische Schlussfolgerungen .............................. ......... .......................................... ....................... .. 84 Der Gebäudeentwurf ............................................ ....................... .......................................... ....................... .. 85 Außenwände .......................................... ..................... ........................................... ..................................... ............... 86 Gezimmerte Dächer .......................................... ..................... ........................................... ........................... ..... 93 Unterspannbahnen ........................................ ................... ........................................... .............................. ........ 97 Flachdächer als Warmdach....................................... Warmdach.................. ....................................... .................. 100 Umkehrdächer........................................ ................... ........................................... ................................... ............. 104 Flachdächer mit Kaltdachraum ................................. ............ ....................................... .................. 104 Attiken bei Flachdächern .......................................... ..................... ....................................... .................. 104 Durchgänge bei Flachdächern .......................................... ..................... ............................... .......... 105 Strömungen in und an Gebäuden ............................................... .............................. ................. 105 Geneigte Dächer ....................................................................... 107 Gebäudeecken .......................................................................... 108 Strömungen in Fensterfälzen ........................................ ................... ................................... .............. 108 Türanschläge ............................................................................ 109 Offene Feuerstellen ............................................................ ....................................... ............................ ....... 110 Strömungen im Städtebau .................................... ............... .......................................... ..................... 111 Der Coandaeffekt ......................................................... ................................... ................................... ............. 111 Kellergeschosse, energetische Betrachtungen .......................... .... ......................... ... 111 Heiztechnik ........................................ .................... .......................................... ....................................... ................. 113 Beschreibung und Wirkung konvektiver konv ektiver Heiztechniken ................. 115 Luftdichte Bauweisen und kontrollierte Lüftung ........................... 118 Radon......................................... .................... ........................................... ........................................... ........................ ... 119 Die Temperierung.......................................... ..................... ........................................... ............................ ...... 120 Die Kosten einer Temperieranlage ........................................... ...................... ........................ ... 122 Die Trägheit von Temperieranlagen Temp erieranlagen ......................................... .................... ........................ ... 122 Das erhöhte Temperaturgefälle in der Außenwand ...................... 123 Regelung von Temperieranlagen ......................................... .................... ............................ ....... 123 Fehlende Normung und Berechnungen ....................................... .................................... ... 124 Verschattung durch Möbel .................................................. ............................. ............................ ....... 125 Temperieranlagen in Altbauten......................................... .................... ............................... .......... 125
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Die Hypokaustentechnik............................................................. 126 Glas ist ein besondrer Saft ......................................................... 127 Wandheizungen und Einscheibenverglasungen ............................ 129 Anstriche .................................................................................. 135 Der Energiebilanzwert (Φb)........................................................ 137 Das Wetter als chaotischer Vorgang ........................................... 137 Probleme bei der Ermittlung von (Φb) ........................................ 141 Künftige Bedeutung des U-Wertes .............................................. 141 Technische Folgerungen aus dem Energiebilanzwert (Φb) ............ 141 Die Thermosfassade .................................................................. 142 Weitere Entwicklung energieeinsparender Bauweisen .................. 148 Energieeinsparende Fassadenanstriche ....................................... 151 Schall ....................................................................................... 152 Luft- und Trittschallschutz im Gebäude ....................................... 155 Schallschutz bei Fenstern ........................................................... 158 Raumakustik ............................................................................. 159 Elektrosmog .............................................................................. 159 Schlussbemerkung..................................................................... 160 Glossarium und Personen........................................................... 161 Verwendete Literatur (Auswahl) ................................................. 173
5 Vorwort
Diese Schrift wendet sich an Fachkollegen aus der Architektenzunft und an Bauherren, die genauer wissen wollen, warum ihr Architekt bestimmte Konstruktionen plant und bauen lässt. Architekten sollen angeregt werden, die Bearbeitung bauphysikalischer Fragen als normale Alltagsarbeit zu begreifen und nicht als Geheimwissenschaft, die man den Experten überlässt. Der anspruchsvolle Titel „Eine neue Bauphysik“ wurde gewählt, weil die Normen, die bestimmte Techniken empfehlen und die irrtümlich für Bauvorschriften 1 gehalten werden, im Verlaufe der Bauentwicklung seit Ende des II. Weltkrieges mehr und mehr unter den Einfluss der Industrie geraten sind und unübersehbar geworden ist, dass naturwissenschaftliche Erkenntnis dann geopfert wird, wenn sie den wirtschaftlichen Interessen der Industrie im Wege steht. Ein schlagendes Beispiel für diese unheilvolle Entwicklung ist die im Februar 2002 in Kraft getretene Energieeinsparverordnung (EnEV). 2 Im Grunde ist bei meinen Darlegungen kaum etwas neu, auch wenn das manches Mal so erscheinen sollte. Neu ist allerdings, dass ich mir die Frei heit nehme, die offizielle „alte“ Bauphysik kritisch zu beleuchten und Erkenntnisse zu vermitteln suche, die manchem, der in alten Gleisen gefahren ist und den Normen vertraut hat, neuartig und sogar suspekt vorkommen müssen. Ich werde die übliche Wissenschaftssprache 3 vermeiden. Ich halte sie für eine Fehlentwicklung der deutschen Sprache. Die weitergehende Forschung mag den hier behandelten Gegenstand im Einzelnen auszuarbeiten. Ich hoffe, dass die bisher auf diesem Gebiet tätigen Forschungseinrichtungen sich einer gewissen Zurückhaltung befleißigen, da auch ihnen zu verdanken ist, dass seit mehr als dreißig Jahren Irrtümer verbreitet werden, die hätten vermieden werden können, wenn nicht sachfremde Einflüsse 4 aus Industrie und Politik ein Übergewicht gewonnen hätten5. Der hierdurch angerichtete Schaden kann kaum mehr wieder gut gemacht werden. Großer Schaden ist auch dadurch entstanden, da die aus dem Ruder gelaufene Forschung sinnvolle Entwicklungen der Baukunst verhindert hat. Mit dieser Schrift verbinde ich die Hoffnung, dass Architekten dazu angeregt werden, selbstverantwortlich nachzudenken und dass Normen nicht mehr als Kochbuchrezept angewendet werden. 1
Soweit sie nicht ausdrücklich zum Gegenstand der Bauordnungen gemacht worden sind.
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Die EnEV ist, berücksichtigt man, dass sie schon in ihren Grundansätzen falsch ist, letztlich nur eine Verkaufshilfe der Dämmstoffindustrie. 3
Fachausdrücke werden kursiv gedruckt und im Glossar erklärt.
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Die sog. „Drittmittel“, die heute Grundbedingung der universitär en Forschung sind und von der
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dustrie kommen, haben im Bauwesen zu einer Abkehr von zweckfreier Forschung geführt. 5
Leider hat es auch die medizinisch – physiologische Forschung bisher versäumt, ihren Beitrag zum Bauwesen zu leisten, obwohl die Qualität unserer Behausungen von großer Wirkung auf den Gesundheitszustand des Menschen ist.
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Was ist eigentlich Bauphysik? Das wesentlichste Kennzeichen der Bauphysik ist ihre Ungenauigkeit und ihre Beschränkung auf wenige, physikalisch behandelbare, Vorgänge an Bauwerken, die allerdings sehr komplex sind. Das sind: Energetische Vorgänge an und im Gebäude, der Einfluss des Wassers in allen Aggregatzuständen, die Ein- und Auswirkungen des Wetters, und hier, als Neuigkeit eingeführt, die Wärmestrahlung , die bisher kaum Gegenstand bauphysikalischer Betrachtungen war. Dass Gebäude fast immer dem Aufenthalt von Menschen dienen, wurde in der „offiziellen Bauphysik„ eher als störend empfun den und daher kaum berücksichtigt. Ich behandle daher auch die Physiologie des Menschen. Behandelt werden auch Strömungsvorgänge an Bauwerken, ein bisher nur stiefmütterlich behandeltes Gebiet. Es ist erstaunlich, in welch vielfältiger Weise sich Strömungsvorgänge an Bauwerken auswirken. Da ich selbst seit 1967 den Beruf des Architekten ausübe, kenne ich die Schwierigkeiten meiner Kollegen bei der Behandlung bauphysikalischer Fragen. Da spielen Zeitmangel, Stress und Verunsicherung durch unterschiedlichste Meinungen, die Industriewerbung, die nur selten sachlich, häufig von den Methoden der Waschmittelwerbung geprägt ist, eine verhängnisvolle Rolle. Die Misere beginnt bereits beim Studium der Architektur, wo Vorlesungen über Bauphysik eine stiefmütterlich behandelte Randerscheinung sind 6. Mir scheint außerdem, dass die Architekturlehrer sich auf die Erklärung der geltenden Normen beschränken. Wie ich von meinen Praktikanten höre, rücken die technischen Fächer der Baukunst in den Hintergrund, Bauphysik und Baukonstruktion also das „Gewusst – Wie“, das handwerkliche Fundament der Baukunst, verkümmern zu Nebenfächern, die in den Entwurfssemestern nicht mehr behandelt werden. 7 Der Architekt, der sich in den vergangenen Jahrzehnten vom Allroundfachmann zum Verteiler von Spezialaufgaben entwickelt hat, übergibt – seine eigenen Wissenslücken richtig einschätzend - die bauphysikalischen Probleme dem Spezialisten, dem hauptamtlichen Bauphysiker. Der wiederum arbeitet streng nach Norm, denn auch er hat es nicht besser gelernt. Schon zur Vermeidung von Haftungsrisiken sind die Normen 8 für den hauptberuflichen Bauphysiker die wesentliche Richtschnur. 6
Daran hat sich auch nach vierzig Jahren offenkundig nichts zum Besseren verändert. In einem mir vorliegenden Skript der Gesamthochschule Kassel aus dem Jahr 2001 wird das Thema ebenso dilatorisch behandelt, wie ich es als Student in den späten 50er Jahren erlebt habe. Auch meine Praktikanten wissen nichts Besseres zu berichten.
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Daher fallen vom neugebauten Hauptbahnhof in Berlin tonnenschwere Stahlträger, wenn sie vom Wind angeblasen werden.
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Allerdings ist auch das eine Fehleinschätzung, da Normen ja nur Empfehlungscharakter haben und keineswegs den Planer aus der eigenen Verantwortung befreien können. Im „Meersburger Urteil“ hat dies das Bundesverwaltungsgericht auch ausdrücklich festgestellt und darüber hinaus i m Normenwerk einen übermäßigen Einfluss der betroffenen Industrie erkannt.
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Ganz schlimm wird es, wenn ein Architekt seine Spezialprobleme einem sog. „Energieberater“ anvertraut. Diese sind in der Regel Amateure, denen fundierte physikalische und mathematische Kenntnisse völlig fehlen. Ihre Funktion besteht nicht etwa darin, einen sinnvollen Rat zu erteilen sondern darin, die Energieeinsparungsverordnung (EnEV) zu vollstrecken. Verfolgt man die Karrieren der Energieberater, bietet sich ein ziemlich einheitliches Bild: In der Regel sind das gescheiterte Existenzen, die entweder ganz oder teilweise von der „Energieberatung“ leben. Sie absolvieren obskure Kurse, bei denen sie darauf getrimmt werden, die EnEV umzusetzen. Eine schöpferische Ingenieurleistung findet da nicht statt. Statt dessen werden vorgefertigte Programme in den Computer geschoben, der dann nach wenigen Sekunden zwanzig Seiten bedrucktes Papier ausspuckt und eine Empfehlung, am Gebäude Aussendämmungen anzubringen. Verhängnisvoll sind zurzeit auch die Katastrophenszenarien, die zur Ausbildung einer Klimakatastrophenhysterie geführt haben und die sich nun auch auf das Bauwesen auswirken. Eine sachliche Erörterung diesbezüglicher Probleme ist kaum mehr möglich. Skeptiker handeln sich den Titel „Klimaleugner“ 9 ein. Eine derartige Wortwahl diente in alten Zeiten der Vorbereitung von Pogromen und Hexenverfolgung. Mit sauberer Wissenschaft hat das nichts mehr zu tun. „Eine neue Bauphysik“ ist von einem Architekten für Architekten geschrieben. Daher ist sie kein wissenschaftliches Werk, auch wenn sie sich auf wissenschaftlicher Grundlage bewegt. Die Erfahrungen aus der Praxis, die in vielen Fällen erheblich von den normenmässigen Berechnungsergebnissen abweichen, sind wesentlicher Bestandteil dieser Schrift. Bauphysik ist keine Geheimwissenschaft. Ein Architekt kann und soll die bauphysikalischen Bedingungen selbst beherrschen. Der rechnerische Aufwand ist überschaubar und kann auch von schlechten Mathematikern beherrscht werden. Der Architekt soll auch wieder Vertrauen in sein eigens und vom Berufsleben geprägtes bauphysikalisches Gefühl entwickeln. Dann kann er bereits in der Entwurfsarbeit die bauphysikalischen Forderungen sinnvoll umzusetzen. Eine der wichtigsten Einsichten, die ich vermitteln will, ist, dass die energetischen Vorgänge am Gebäude ganz überwiegend vom Wetter und von Strahlungsvorgängen an und außerhalb der Gebäudeoberfläche bestimmt sind. Hierzu gehört auch die Erkenntnis, dass Gebäude – wetter- und jahreszeitlich bedingt – sich in einem Umfeld befinden, das ständigen und manchmal sehr erheblichen Veränderungen unterworfen ist. Den in den Normen vorausgesetzten „stationären Zustand“ gibt es nicht. Über diesen leicht einsehbaren Sachverhalt setzen sich die Normen hinweg, im wesentlichen deshalb, weil bauphysikalische Vorausberechnungen unter der Annahme eines instationären Zustandes, der zudem – weil vom Wetter bestimmt – chaotisch ist, nur schwer möglich sind. Eine Norm, bei der nichts gerechnet werden kann, wäre ein Widerspruch
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So Prof. Rahmsdorf vom Institut für Klimafolgenforschung in Potsdam.
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in sich. Daher ist auch nicht zu erwarten, dass es jemals Normen geben wird, die die wirklichen Randbedingungen berücksichtigen. Insofern haben wir uns mit der Fehlerhaftigkeit der Normen auch in fernerer Zukunft abzufinden 10. Dies ist Grund genug, bei der Anwendung von Normen sich stets zu vergegenwärtigen, dass sie fehlerhaft sein können. Weil dies so ist, haben die Gerichte auch entschieden, dass die Einhaltung von Normen den Planer nicht von der eigenen Verantwortung freistellt.11 Ebenso sieht das der Deutsche Normenausschuss, der seine Normen als unverbindliche Handlungsanweisungen bezeichnet, die den Anwender nicht von der eigenen Verantwortung freistellen. Das erinnert an die Sprüche der pharmazeutischen Industrie: „wegen Risiken und Nebenwirkungen......“ Ganz absichtlich handelt es sich hier um kein trockenes Fachbuch. Aus eigener Erfahrung weiß ich, dass man nach einem anstrengenden Arbeitstag keine Lust mehr hat, sich mit Berechnungsformeln und hochwissenschaftlichen Texten abzuplagen. Nach längstens fünf Minuten ist da der Leser sanft entschlummert. Daher habe ich versucht, das Thema unterhaltsam aufzubereiten. Gelegentliche Abschweifungen in die Politik halte ich für zulässig und auch für erforderlich. Bauphysik hat auch mit dem Menschen zu tun. Darin unterscheidet sie sich von der „klassischen Physik“ grundlegend. Wir müssen uns also von vorneherein darüber einig sein, dass Gebäude dem Menschen dienen, somit auch bauphysikalische Überlegungen und die daraus entstehenden Lösungen immer daran überprüft werden müssen, ob sie dem Menschen nützen oder schaden. Daher beschäftige ich mich zunächst mit dem Menschen. Der Mensch
Der Mensch ist das Ergebnis einer millionenjährigen Evolutionsgeschichte , die, soweit hier von Belang, damit begonnen hat, dass ein Lebewesen aus dem Wasser gekrochen ist und beschlossen hat, fürderhin sein Dasein auf dem Land zu fristen. Damit trat ein grundlegender Wandel in den Umweltbedingungen ein. Von der Kiemenatmung stellte es sich auf Lungenatmung um. Die bis dahin gleichmäßige Umgebungstemperatur war nun einem ständigen Wechsel unterworfen. Die Temperatur der Luft wechselte in Abhängigkeit von Tag und Nacht, 10
Immer wieder findet man Versuche von Physikern und aus nicht nachvollziehbaren Gründen auch von Maschinenbauern, bauphysikalische Berechnungen durchzuführen, die von dem Willen durchdrungen sind, die Problematik mathematisch in den Griff zu bekommen. Betrachtet man die Ergebnisse genauer, stellt man fest, dass mit stationären Randbedingungen und unzulässigen Vereinfachungen gerechnet wird, die der Wirklichkeit nicht entsprechen. Ohne die Spur eines Beweises, der eigentlich zu derartigen Berechnungen – wenn man sie schon macht – gehört, wird lediglich behauptet, dass auch unter den falschen Annahmen das Ergebnis richtig und verallgemeinerungsfähig sei. Die etwas ehrlicheren dieser Rechenkünstler weisen darauf auch hin, wiegeln aber im gleichen Atemzuge damit ab, dass die Genauigkeit der Rechenergebnisse hinreichend sei. 11
Allerdings sollten die Richter in Bauschadensprozessen endlich auch davon abrücken, dass immer dann, wenn ein Sachverständiger einen Verstoß gegen Normen feststellt, sie einen Anscheinsbeweis für das Fehlverhalten des Planers oder Handwerkers für gegeben sehen. Das wäre die konsequente Schlussfolgerung aus der normenkritischen Rechtsprechung der Bundesgerichte.
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unser Vorfahr war einer heftigen Sonnenbestrahlung ausgesetzt, in Breiten außerhalb der äquatorialen Zonen gab es den Jahreszeitenwechsel mit lang anhaltenden Klimaveränderungen, in langen Zeiträumen wechselten Eis – und – und Warmzeiten miteinander ab. Mit all dem mussten nun die Landtiere fertig werden. Die unbarmherzigen Gesetze der Evolution sorgten dafür, dass schlecht funktionierende Überlebensstrategien untergingen. Nur gute Lösungen hatten eine Überlebenschance. Unter den guten Lösungen wurden die weniger guten ausgemerzt. Die Wassertiere hatten sehr gleichmäßige Umweltbedingungen. Die Temperatur des Wassers blieb im Wesentlichen immer gleich, Temperaturschwankungen erfolgten sehr langsam, weil Wasser eine hohe Wärmekapazität hat, hat, die höchste, die es in der Natur überhaupt gibt. Nennenswerte Temperaturänderungen gab es nur in den oberen Wasserschichten, die Temperatur des Tiefenwassers blieb gleich. Daher übernahmen die Wassertiere die Wassertemperatur als eigene Körpertemperatur, was unter dem Gesichtspunkt des geringstmöglichen Energieverbrauchs die wirtschaftlichste Lösung war. So ist dies bei den Fischen und den sonstigen im Wasser lebenden Organismen bis heute geblieben 12 und es deutet nichts darauf hin, dass die Evolution hier noch einen Verbesserungsbedarf sieht.13 An Land teilten sich die Wege der Evolution. Die konservativeren Wirbeltiere blieben bei der Gewohnheit, ihre Körpertemperatur den Umgebungsbedingungen anzupassen. Hieraus entstanden die wechselwarmen Tiere , also Lurche und Reptilien. Dies hatte zur Folge, dass sie in Zeiten hoher Lufttemperaturen und vor allem der erheblich energiehaltigeren Sonneneinstrahlungen die erforderliche Aktivitätswärme hatten. Blieb diese Energiezufuhr jedoch aus, verfielen sie in eine Kältestarre, bei der sie inaktiv waren. Einige entwickelten hierbei die Gewohnheit, sich rechtzeitig einzugraben, andere lagen starr und unbeweglich in der Gegend herum, gleichsam als tiefgekühlter Fleischvorrat für auch schon vorhandene Warmblüter. Damit war eine ökologische Nische gebildet, die natürlich von Mitbewerbern sofort ausgefüllt wurde. Gleichzeitig entwickelten sich nämlich Tiere, die ihren Energiehaushalt selbst in die Hand nahmen und die sich von den Umgebungsenergien unabhängig machten. Die Evolution beschritt somit gleichzeitig einen zweiten Weg. Die hierbei betroffenen Tiere entwickelten eine Regeltechnik, die zur Aufrechterhaltung einer gleich bleibenden Körpertemperatur führte. Die günstigste Körpertemperatur wurde hierbei gleich mitentwickelt. Sie ermöglichte den höchsten Aktivitätsgrad und fand ihre Obergrenze dort, wo sich die Körpersubstanz zu zersetzen begann.14 So kamen wir zu der bei nahezu allen Warmblütern gleichen Körper12
Ausgenommen sind hiervon die ins ins Wasser zurückgekehrten Warmblüter.
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Bei der Anpassung an die Wassertemperatur ist die Natur rigoros. So haben Forscher Forscher an der Universität Regensburg herausgefunden, dass es Bakterien gibt, die in kochend heißem Wasser leben.
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Wenn Sie genügend Zeit haben, legen Sie mal ein Rindersteak Rindersteak in die Pfanne, die nie wärmer als 40 °C wird. Nach etwa sechs Stunden haben Sie ein zartes, rosa gefärbtes Steak, wie Sie es in einer Gaststät-
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temperatur von etwa 37 °C, die nicht mehr verändert wurde. Die Regelungsimpulse führten zu einer Verstärkung oder Verminderung der körpereigenen Verbrennungsprozesse, mit denen Schwankungen der Umgebungsenergien ausgeglichen wurden. Was wirkte nun aber auf die Sensoren 15 der Regelung ein? Da war die Temperatur der Umgebungsluft, mal wärmer, mal kälter als der Tierkörper, wobei die kühlende oder wärmende Wirkung sehr erheblich durch die Windgeschwindigkeiten bestimmt wurde. Die Schwankungen in der Energiezufuhr oder dem Energieabtrag waren groß. Da war aber vor allem die Einstrahlung aus der Sonne, deren Energiebetrag bei weitem überwog und die stetig und mit geringfügigen Schwankungen stattfand. Der Energieumsatz aus der Einstrahlung war im tages- und jahreszeitlichen Verlauf verlässlich und somit eine Umweltbedingung, mit der die Evolution etwas anfangen konnte. Das tat sie dann auch. Das endogene Regelungssystem, das ja zuverlässig und wirtschaftlich sein musste, wurde prinzipiell auf Strahlungsvorgänge eingestellt, es übernahm also das, was die Reptilien und Lurche auch betrieben, allerdings im Hinblick auf die sehr vorteilhafte Daueraktivität gepaart mit einer geregelten Verbrennung zur Aufrechterhaltung der günstigsten Körpertemperatur. In dieser Phase bildete sich auch die innere Uhr der Lebewesen aus, die bis heute ein sehr verlässlicher Teil des Regelungsmechanismus ist. Sie ist genau an den Zeittakt angepasst, der auch die klimatischen Randbedingungen bestimmt. Der Verbrennungsmechanismus war jedoch verhältnismäßig träge und daher ungeeignet, plötzliche Änderungen der Lufttemperatur abzufangen. Daher entwickelten die Warmblüter noch eine weitere Technik der Temperaturerhaltung mit einfachen mechanischen Verfahren. Sie entwickelten ein Haar- oder Federkleid, das sie geometrisch verändern konnten. Wenn sie es sträubten, vergrößerte sich das vom Fell eingeschlossene Luftpolster, das eine wärmedämmende Wirkung hatte. Wie bei den heutigen auch, führte diese Technik zur Erhaltung des Energieniveaus im Dämmstoffen auch, von Auskühlung bedrohten Körper. Die energetische Körperoberfläche, die Haut, wurde von der schnell strömenden Luft nicht erreicht. Somit verminderte sich auch der konvektive Energieabtrag Energieabtrag an der Hautoberfläche. Ganz raffiniert und ausgeklügelt ist hierbei das Fell der Eisbären. Es besteht aus röhrenförmigen Haaren, die das einfallende Sonnenlicht auf die Haut leiten. Die Haut wiederum ist schwarz und damit ein guter Absorber. Bei größerem Energieverlust, der Auskühlung bewirkt hätte, erhöhten die Tiere die körperliche Aktivität, z.B. durch das Kältezittern. Bei übergroßem Energieeintrag wurde die körperliche Aktivität vermindert. Das Hecheln wurde erfunden, das zur erhöhten Energieabfuhr führte. Da die Tiere te nie bekommen werden. 15
Zu jedem Regelungssystem gehört ein System von von Messfühlern.
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beweglich waren, suchten sie schattige und kühle Plätze auf, flüchteten sich ins Wasser oder in Höhlen, andere gruben sich kurzerhand ein. Da sich das Leben auf dem Land – – wie wir heute wohl richtig vermuten – in den äquatornahen Breiten entwickelt hat, ist auch erklärlich, dass auch heute noch die Techniken, die vor Überhitzung schützen sollten, bei weitem besser ausgebildet sind als die Techniken zur zusätzlichen Energiegewinnung in kalten Zonen. Durch ihre stets mögliche Aktivität waren die Warmblüter den wechselwarmen Tieren überlegen. Offensichtlich waren sie auch intelligenter. So führten sie die Brutpflege ein16, entwickelten hierbei soziales Verhalten, das eine höchst nützliche Gruppenbildung ermöglichte. Die endogene Temperaturregelung befähigte sie außerdem, für wechselwarme Tiere unwirtliche Zonen zu besiedeln. Als entscheidender Vorteil stellte sich heraus, dass sie gegenüber Klimaveränderungen widerstandsfähig waren. Die wechselwarmen Tiere, die im Wettbewerb mit den Warmblütern standen – jene hatten damals etwa Rattengröße – Rattengröße – lösten lösten das Problem einer möglichst guten Aktivitätstemperatur durch Massenzuwachs. Grosse Massen haben eine relativ geringe Oberfläche und können entsprechend viel Energie speichern und daher auch kurzfristige Kältezeiten überbrücken. So entstanden die Dinosaurier. Ob nun die Klimaänderung vor etwa 65 Millionen Jahren auf einen Asteroideneinsturz zurückzuführen ist oder ob es sich um eine normale periodische Veränderung des Klimas gehandelt hat, kann dahingestellt bleiben. Jedenfalls war die Klimaänderung, die zu einer Abkühlung des Weltklimas geführt hat, zu abrupt, als dass sich die Saurier hätten anpassen können. Sie starben aus. Die Warmblüter hingegen überlebten, ja sie entwickelten sich von da ab zu einer großen Vielfalt und besiedelten den ganzen Erdball. Die endogene Energieregelung hatte sich außerordentlich gut bewährt, sodass sie beibehalten und verfeinert wurde. Nur die Vögel, eine Seitenlinie der Dinosaurier, haben überlebt. Das zunächst nur dem Fliegen dienende Federkleid erwies sich wegen seiner wärmerückhaltenden Wirkung auch sonst als nützlich. 17 Die Vögel nutzten diese Gelegenheit sinnvoll dadurch, dass auch sie sich zu Warmblütern entwickelten. Die Lurche zogen sich wieder ins Wasser zurück. Von den Reptilien blieben wenige, die wärmere Rückzugsgebiete fanden, übrig. Die Dinosaurier erwiesen sich letztlich als energetische Fehlkonstruktion. Befanden sie sich in 16
Die höchste Stufe dieser Entwicklung erreichten die Säugetiere und der Mensch. Mensch. Siehe auch: auch: Prof. Sarah Blaffer Hrdy, Mutter Natur, die weibliche Seite der Evolution, Berliner Taschenbuch Verlag 2002.
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Das ist ist meine eigene Hypothese. Die Die Frage nämlich ob – wie wie ich vermute – erst erst das Federkleid da war, und sich sodann die Warmblütigkeit entwickelt hat, oder ob es umgekehrt war, hat mir die Fachliteratur noch nicht beantworten können. Wenn es zutrifft, dass sich die Federn aus dem Schup penkleid der Reptilien entwickelt haben, dürfte meine These stimmen. Zumindest die F rage, ob nämlich erst die Henne und dann das Ei da waren, ist zugunsten des Eis gelöst. Denn die Dinosaurier waren Eierleger oder seltener sogar Lebendgebärer.
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Kältestarre, wurden sie von den stets aktiven Warmblütern angeknabbert. Schließlich waren sie so massig geworden, dass der Energieverbrauch auf dem Weg zu neuen Futterplätzen größer war als die Energie, die sie dort aufnehmen konnten. Aus den Warmblütern entwickelte sich schließlich auch der Mensch, dessen früheste Reste in heute wie damals heißen Gebieten Afrikas gefunden werden. Er verbesserte die Energieregelung durch zwei Neuerungen. Durch den aufrechten Gang verkleinerte er die Einstrahlungsfläche und er verlor sein Haarkleid, als er sah, dass das Schwitzen eine sehr wirksame Methode der Abkühlung war. Nur das Kopfhaar behielt er bei, weil dieses die Einstrahlung auf den Schädel verminderte. Aber auch der Mensch behielt die einmal vorgefundene Energieregelung bei. Auch er richtete sich auf Wärmestrahlung ein und ebenso glich er Temperaturschwankungen der Umgebungsluft durch mechanische und zusätzliche Techniken aus. Diese verbesserte er im Laufe der weiteren zivilisatorischen Entwicklung bis zum heutigen Tage, wo er sich selbst in seinen Behausungen ein künstliches Raumklima schafft und seine Bekleidungstechniken dem Wetter anpasst. Für unser Thema ist bedeutend, dass bauphysikalische Betrachtungen, die den Menschen nicht mit einbeziehen, weitgehend sinnlos sind. Daran scheitern auch letztlich alle Versuche, Bauphysik berechenbar zu machen. Das Raumklima
Die Evolution hat also dazu geführt, dass der Mensch ein bestimmtes Strahlungsklima benötigt. Empirisch kann gesagt werden, dass dieses Strahlungsklima dem eines angenehmen Sommertages gleichen soll. Ein derartiges Klima wird als behaglich und angenehm empfunden, weil es einem evolutionär entstandenen Grundbedürfnis des Menschen entspricht. Um es banal auszudrücken: Ein richtiges Strahlungsklima ist gesund. Abweichungen nach oben und unten empfindet der Mensch als unangenehm bis lebensbedrohend. Ein solches Klima macht krank. Die Schaffung eines in diesem Sinne „gesunden“ Raumklimas ist daher von großer Wichtigkeit. Auch der Mensch hat eine Energiebilanz . Er verliert somit Wärmeenergie an die Umgebung, wie er auch Energie aus der Umgebung aufnimmt. Im Ruhezustand verliert der Mensch etwa 120 W/h. Bei körperlicher Aktivität steigt diese Energieabgabe auf ein Mehrfaches. Die Energieabgabe verteilt sich folgendermaßen18: über die Atemluft 22 – 32 % durch Konvektion 26 – 30 % durch Abstrahlung 40 – 50 % Die Energieaufnahme verhält sich bei einem guten Raumklima so, dass der Energieeintrag durch Strahlung den Wert 90% annimmt, der Rest von 10 % 18
Quelle: Friedrich Eichler, Bauphysikalische Entwurfslehre, VEB Verlag für Bauwesen, Berlin, 1968
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durch Konvektion , wobei über die Atemluft überhaupt kein Energieeintrag stattfindet, solange die eingeatmete Luft kühler als die Körpertemperatur ist. Das Wohlbehagen stellt sich ein, wenn die von den Umgebungsflächen eines Raumes abgehende Wärmestrahlung etwa 390 W/m² beträgt, wobei dieser Wert je nach der Größe strahlender Flächen nach oben und unten schwankt. Dieser Wert wird bei Wandoberflächentemperaturen von 20 bis 21 °C erreicht. 19 Bei konvektiven Heizungssystemen stellt sich diese Wandtemperatur erst bei Lufttemperaturen von 25 – 27 °C ein. Somit besteht bei derartigen Heiztechniken das Dilemma, dass das richtige Strahlungsklima mit überhitzter Raumluft erkauft werden muss. Entschieden besser sieht es bei Strahlungsheizungen20 aus, da hier die Lufttemperatur immer deutlich unter der Wandtemperatur liegt. Zu einem bekömmlichen Raumklima gehört letztlich auch eine richtige Luftfeuchte, die empirisch mit 40 – 55 % relativer Luftfeuchte angenommen werden kann. Bei darüber liegender Luftfeuchte stellt sich ein dumpfes und muffiges Raumklima ein, die Wärmeregulierung durch Schwitzen ist behindert. Bei deutlich niedrigeren Luftfeuchten kommt es zur Austrocknung der Schleimhäute mit allen unangenehmen Begleiterscheinungen, insbesondere aber auch dazu, dass sie ihre Fähigkeit verlieren, Keime, Staubpartikel, Kleinstlebewesen wie Staubmilben, deren Exkremente und sonstige Luftverunreinigungen abzufangen und unschädlich zu machen 21. Trockene Luft, wie sie bei konvektiven Heizsystemen unvermeidbar ist, ist daher auch die Hauptursache der winterlichen Erkältungskrankheiten 22. Die „neue Bauphysik“ wird dies berücksichtigen. Dies bedeutet auch eine vollkommene Veränderung der in den Normen enthaltenen Betrachtungsweise. Die Norm kennt den Begriff „Raumklima“ nicht. Sie betrachtet ausschließlich die Temperatur der Raumluft. Das alles entscheidende Strahlungsklima, das, wie noch gezeigt werden wird, eine richtige Lufttemperatur und Luftfeuchte selbsttätig bewirkt, ist nicht Gegenstand der Norm. Die DIN 4108 betrachtet ein Gebäude nur als Warmluftbehälter 23. Da dies so ist, ist die Norm auch kaum verbesserungsfähig. Sie muss daher, soweit sie die Raumbeheizung behandelt, abgeschafft werden. Die Anwendung der DIN 4108 ist nach meiner Auffassung 19
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Dies gilt für Wände mit einem Strahlungskoeffizienten von ca. 95%, wie dies bei normalen verputzten Innenwänden mit hellen Anstrichen der Fall ist. Hierzu gehört die Temperiermethode, die der Verfasser selbst anwendet und die in seiner Schr ift „Die Temperierung“, Eigenverlag Berlin, 2001 ausführlich beschrieben und begründet ist. So unappetitlich dies auch klingen mag: Denken sie bei dieser Gelegenheit einfach mal an den Nasenrotz.
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Daher sind diese Erkältungskrankheiten in Wirklichkeit Beheizungskrankheiten.
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Besonders extrem wird dies bei der sog. „Passivhausbauweise“ sogar absichtlich zum
Konstruktionsprinzip erhoben.
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ein Verstoß gegen die Regeln der Baukunst und birgt somit ein Haftungsrisiko für den Planer in sich. Dies ist auch keineswegs neu. Spätestens seit Friedrich Eichler in den Sechzigerjahren des vergangenen Jahrhunderts die „Bauphysikalische Entwurfslehre“ veröffentlicht hat, ist dies bekannt. Am Ende dieses Kapitels soll er daher zitiert werden: „Der Mensch strahlt nicht nur Wärme ab, er empfäng t auch Wärmestrahlung aus der
Umgebung. Sein Körper nimmt Strahlungswärme gern auf. Es entsteht ein ausgesprochenes Wohlbefinden, wenn die nötige Wärme dem Körper durch Strahlung zugeführt wird und die Luft kühl genug ist, um einen Wärmestau zu verhüten. (Winterliche Besonnung im Hochgebirge). Beim „Tanken“ von Sonnenwärme kann die Wärmeabstrahlung des Körpers bis auf Null
sinken 24 .
Ist die zugeführte Wärme dagegen an Luft gebunden, so wird sie weniger vertragen. Warmfeuchte Luft, die eine Abkühlung des Körpers durch Verdunstung von Schweiß behindert, wird als ermüdend und unbehaglich empfunden. Ein physiologisch günstiges Raumklima wird dem Menschen dann geboten, wenn die Raumflächen hohe Oberflächentemperaturen aufweisen. (Etwa um 17 °C), die Luft selbst kühl ist und ein optimales Strahlungsgleichgewicht mit Hilfe zusätzlicher Strahlungswärme 25 erzielt wird. Unter diesen Bedingungen kann auch der geschlossene Raum reichlich gelüftet werden, ohne dass unerwünschte Abkühlungen eintreten. Ist die Wärme an die Luft selbst gebunden, die ihrerseits erst die Raumflächen langsam erwärmen muss, so bedeutet jedes Lüften einen fühlbaren Wärmeverlust und ein Strahlungsgleichgewicht ist nicht erreichbar. Unsere Heizungssysteme, insbesondere die üblichen Luftkonvektoren, sind weit davon entfernt, physiologisch optimale Bedingungen für den Menschen im geschlossenen Raum herzustellen.“
Soweit ein in den sechziger Jahren führender Bauphysiker. Es ist kaum verständlich, dass dennoch die Entwicklung der genormten 26 Bauphysik, der Bauweisen und der Heizungstechnik bis zum heutigen Tage ihren Irrweg nicht verlassen hat und dieser sogar mit nahezu fanatischem Eifer durch die staatlich finanzierten Forschungsinstitute verteidigt wird 27. Globale Randbedingungen
Der Planet Erde ist Teil des Sonnensystems. Er umkreist die Sonne auf einer elliptischen Bahn und dreht sich hierbei um eine gedachte und schräg zur Umlaufbahn stehenden Achse. Die Schrägstellung der Erdachse ist Ursache des jahreszeitlichen Klimawechsels. Die Rotation ist Ursache der Temperaturschwankungen im Tag-Nacht-Rhythmus.
24
25
Hier irrt Eichler, da Wärmeabstrahlung erst dann aufhört, wenn die Strahlungsoberfläche beim absoluten Nullpunkt angekommen ist. Wandheizungstechniken waren Eichler offensichtlich noch nicht bekannt.
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Normen sind keine Bauvorschriften. Sie haben nach den Veröffentlichungen des Deutschen Instituts für Normung nur Empfehlungscharakter. Nach einem Urteil des Bundesverwaltungsgerichts sind Normen von der Interessenlage der Wirtschaft und Industrie beeinflusst. Der Hinweis, man hätte normgemäß gebaut, ist kein Entlastungsbeweis gegen den Vorwurf einer Fehlplanung.
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Bei dieser Auseinandersetzung geht es schon längst nicht mehr um die Sache sondern darum, die wissenschaftliche Reputation zu retten, die bei den Befürwortern der EnEV aufs höchste gefährdet ist.
15 Die Sonne
Die Erde bewegt sich innerhalb der Sonnenwirkung und ist somit den Einflüssen aus der Sonne unmittelbar ausgesetzt. Der enge Kontakt zur Sonne wird an verschiedenen Naturerscheinungen sichtbar, so durch das Nordlicht, elektromagnetische Störungen, die zum Zusammenbruch von Kommunikationseinrichtungen und der Stromverteilungsnetze führen können, insbesondere jedoch durch den fortwährenden Empfang von Strahlungsenergie. Wie entscheidend dieser Einfluss ist, zeigt sich am Temperatursturz bei totalen Sonnenfinsternissen. Ebenso sind die grundlegenden breitengradabhängigen Klimaunterschiede ausschließlich eine Folge unterschiedlicher Einstrahlungsmengen. Mit Ausnahme der durch Kernenergie und Fusionsenergie bestimmten Prozesse ist der gesamte auf der Erde stattfindende Energieumsatz auf die eingestrahlte Sonnenenergie zurückzuführen. Luftmassen
Eine weitere große Rolle für das Wettergeschehen spielen die ständig in Bewegung befindlichen Luftmassen, die von Zonen hohen in Zonen niedrigen Luftdrucks fließen. Hierbei wirkt sich die Erdrotation auf die Zugbahn aus. Die Corioliskraft führt zu gekrümmten Bahnen28. Insgesamt bewirkt die ständig in Bewegung begriffene Luft einen globalen Ausgleichseffekt, der in unseren Breiten zum „gemäßigten Klima“ führt. Sonneneinstrahlung
Von ganz außerordentlicher Wirkung bei bauphysikalischen Prozessen ist die Sonneneinstrahlung. Hierbei haben wir zu unterscheiden zwischen unmittelbarer Sonneneinstrahlung bei wolkenlosem Himmel, der diffusen Einstrahlung bei bedecktem Himmel, die an allen Gebäudewänden gleich stark ankommt und der mittelbaren Strahlung aus der Gebäudeumgebung. Die Globalstrahlung , die als Durchschnitt aus diffuser und unmittelbarer Sonnenstrahlung definiert ist, hat folgende Werte, gemessen in W/m² (Mittelwerte)29 über einen ganzen Tagesverlauf 30: Ja. 40
Feb. März Apr. Mai Juni Juli Aug. Sep. Okt. Nov. Dez. 70 90 110 130 190 220 175 110 80 60 40
Die in einer Anlage zur EnEV veröffentlichten Werte weichen hiervon geringfügig ab31. Dies sind ganz beachtliche Beträge an Energieeinstrahlung. 28
Wenn Sie auf einem Plattenteller ein Stück Papier auflegen, ihn in Betrieb setzen und sodann einen Bleistiftstrich in eine gleich bleibende Richtung ziehen, entsteht eine gekrümmte Linie. So etwa funktioniert die Corioliskraft. 29
Quelle: www.wetterzentrale.de
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Für die Betrachtung der energetischen Vorgänge am Gebäude muss jedoch der Tag-Nachtrythmus berücksichtigt werden. Mit Durchschnittswerten kann man daher wenig anfangen.
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Diese Tabellen aus der DIN 4108 – 6 unterscheiden nach Himmelsrichtung und Neigungswinkel der bestrahlten Flächen und sind somit eine sehr gute Planungshilfe, wenn es darum geht, ein Gebäude so
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Ohne diese Einstrahlung befänden sich unsere Bauwerke in einer Umgebung mit einer Temperatur von 3 K über dem absoluten Nullpunkt, also bei 3 K 32. Daran kann ermessen werden, von welch ausschlaggebender Bedeutung das globale Strahlungsklima ist. Ohne diesen Energieeintrag würden wir jämmerlich erfrieren33. Wie noch ausführlich dargestellt werden wird, findet der ganz überwiegende Teil der energetischen Prozesse an einem Gebäude an der Gebäudeoberfläche statt, so auch die Wärmeeinstrahlungen. Diese sind je nach Himmelsrichtung der Oberflächen und nach Dachneigung unterschiedlich, so dass sie auch getrennt ermittelt werden müssen. Zu berücksichtigen ist weiterhin, dass nicht nur aus dem Weltraum, sondern auch aus der unmittelbaren Umgebung eines Gebäudes Einstrahlungen herkommen. Auch hier müssen wir uns klar machen, dass jede Oberfläche, deren Temperatur über dem absoluten Nullpunkt liegt, Wärmeenergie abstrahlt. Architekten werden daher künftig die Umgebung eines Gebäudes zu untersuchen haben, um die Einstrahlungsmengen einigermaßen richtig einzuschätzen. Dass Umgebungsstrahlung von beachtlicher Bedeutung ist, weiß ein aufmerksamer Autobesitzer. Stellt er im Winter sein Fahrzeug vor einem Gebäude ab, sind die dem Gebäude zugewandten Scheiben und Blechflächen eisfrei, die abgewandten Seiten sind mit Reif beschlagen. Die vom Gebäude abgestrahlte Energie hat also ausgereicht, das Fahrzeug soweit zu erwärmen, dass Eisbildung unterdrückt wurde. Das Strahlungsgesetz von Stefan-Boltzmann
Die naturwissenschaftliche Grundlage der Strahlungsprozesse ist das Strahlungsgesetz von Stefan – Boltzmann34. Die Grundformel, nach der die Strahlungsleistung (Energiestrom) berechnet wird, lautet: ΦS = 5,67 x ε x (T/100) 4
in Watt/m²
Hierbei bedeuten: Φs Strahlungsenergiestrom ε Spezifischer Strahlungskoeffizient T Absolute Temperatur in Kelvin (K) 5,67 Stefan-Boltzmann-Konstante Multipliziert man das gewonnene Ergebnis mit der Größe der Strahlungsfläche (A), erhält man die Strahlungsleistung der gesamten Wandoberfläche. zu entwerfen, dass es so gut wie möglich die Sonnenenergie verwertet. 32
Das ist die derzeitige Temperatur der Hintergrundstrahlung im Weltraum.
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Genau genommen, wäre auf der Erde ohne die Sonneneinstrahlung Leben gar nicht entstanden.
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Österreichische Physiker, Josef Stefan (1835-1893) und Ludwig Boltzmann (1844-1906); Das Strahlungsgesetz entstand im Jahr 1878 durch empirische Messungen und wurde 1884 von Boltzmann theoretisch abgeleitet. Boltzmann war Wegbereiter der Quantenphysik.
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Zur Berechnung benötigt man also die Oberflächentemperatur, die man messen kann, und den Strahlungskoeffizienten , der aus Tabellen entnommen werden kann35. Der Strahlungskoeffizient ist ein spezifischer Wert, dessen Basis die Stefan – Boltzmann – Konstante ist. Dieser Wert ist der Strahlungskoeffizient des „schwarzen Strahlers“, einem theoretischen Gebilde mit der höchstmöglichen Strahlungsleistung. Diese Konstante wird mit dem Wert 5,671 angegeben36. Alle anderen Strahlungsflächen haben einen geringeren Strahlungskoeffizienten. Das Diagramm der Strahlungsleistungen im baupraktischen Bereich zeigt eine mit der Temperaturzunahme flach ansteigende Kurve. Will man letztlich den Betrag der abgestrahlten Energie über einen Zeitraum errechnen und für eine Fläche (A), wird das Ergebnis mit der Zeit (t) multipliziert. Die Formel für die emittierte Energie lautet sodann Φs = 5,67 x ε * A * t * (T/100)
4
Das Ergebnis hat dann den Wert in (Ws). Eine Beispielsrechnung sieht so aus: Gegeben sei eine unverputzte Ziegelwandoberfläche. Aus der Tabelle entnehmen Sie den Strahlungskoeffizienten zu 5,36. Mit dem Kontaktthermometer stellen Sie fest, dass die Oberflächentemperatur genau 0 °C beträgt. Die absolute Temperatur beträgt somit 273 °K. Sie wollen nun wissen, welche Energiemenge diese Wand je 1 m² Fläche in 24 Stunden abstrahlt. Sie setzen also in die Formel ein und erhalten folgenden Ausdruck: Φs = 5,36 x 1 x 24 x 2,734 = 7,145 kWh/m² Damit haben Sie, weil es sich um eine baupraktische Annahme handelt, sogleich auch eine grössenmässige Vorstellung, um welch erhebliche Energiebeträge es hier geht. Wenn Sie dieses Ergebnis auf die gesamte Wandoberfläche eines Gebäudes ausdehnen, werden Sie feststellen, dass die abgestrahlte Energiemenge weit über der Leistungskraft Ihrer Heizanlage liegt. Bereits hier kündigt sich an, dass die energetischen Vorgänge an Gebäuden anderen Voraussetzungen unterworfen sind, als diese in der DIN 4108 und der gleichartigen europäischen Norm EN 832 festgelegt sind. Zur These über eine Gegenstrahlung
Gelegentlich wird die These verbreitet, es gäbe eine kosmische Gegenstrahlung in der Größenordnung von 170 – 290 W/m², die rund um die Uhr – auch nachts einstrahlen würde und sozusagen Energieverluste an Oberflächen ausgleichen 35
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Ich entnehme die Werte für die Strahlungskoeffizienten dem Buderus-Handbuch für Heizungstechnik, Beuth-Verlag, Berlin, die auf dem Strahlungskoeffizienten des Schwarzen Strahlers von 5,774 aufge baut sind. Im Anhang finden Sie eine Reihe von Werten für Baustoffe. Pedro Waloschek, Wörterbuch Physik, dtv 1998
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würde. Es ist nicht nachzuvollziehen, wie es zu dieser Auffassung kommen konnte. Tatsächlich gibt es eine derart beschriebene Gegenstrahlung jedoch nicht. Vor allem ist nicht ersichtlich, wo sich die Quelle einer derartigen Strahlung befinden soll. Es gibt eine kosmische Hintergrundstrahlung, die eine Leistung von etwa 0,000 000 138 W/m² hat. Diese Strahlungsleistung ist eine Folge der Durchschnittstemperatur des Universums von ca. 3 K. Gemessen an der Dimension des Universums und daran, dass es fast leer ist, ist das eine außerordentlich hohe Temperatur. Sie repräsentiert die gesamte beim Urknall freigesetzte Energie, die sich wegen der Ausdehnung des Universums inzwischen verdünnt hat. Für die energetischen Vorgänge an Gebäuden ist die aus dem Universum eingestrahlte Energie mit Ausnahme der Sonnenenergie bedeutungslos. Vorausgesetzt, es gäbe keinerlei Energiezufluss auf dem Planeten Erde aus der Sonne und es fände auch keinerlei radioaktiver Zerfall mehr statt, würde die Erde durch Abstrahlung auf 3 K abkühlen. Erst dann stünde sie im energetischen Gleichgewicht zum Universum. Einstrahlung aus der Umgebung
Von großer Wirkung auf die energetischen Vorgänge am Gebäude ist die aus der Umgebung des Gebäudes ankommende Wärmestrahlung. Hierbei muss man sich vergegenwärtigen, dass strahlende Körper nicht nur nach einer Richtung sondern nach allen freien Richtungen strahlen. Das Naturgesetz, wonach die Strahlungsstärke mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, gilt nur für annähernd punktförmige Strahlungsquellen. Baupraktisch kann eine parallele Bündelung der Einstrahlung angenommen werden. Daher spielt auch die Entfernung einer Strahlungsquelle keine Rolle. Als Grundregel kann gelten, dass alle Strahlungsquellen, die im Sichtbereich des Gebäudes liegen, energetisch auf das Gebäude einwirken. Bei der Einzelermittlung ist der Strahlungswinkel zwischen Strahlungsquelle und absorbierender 37 Strahlungsfläche zu berücksichtigen. Von erheblicher Bedeutung sind Einstrahlungsvorgänge in enger Bebauung und Reflexionen, die vor allem bei Nordwänden eine beachtliche Größenordnung annehmen können, weil die gegenüberstehenden Gebäudewände Südwände sind. In Hochgebirgslagen haben wir es mit schneebedeckten Flächen zu tun, die einmal hervorragende Reflektoren sind, zum anderen aber auch einen Strahlungskoeffizienten haben, der dem des schwarzen Strahlers fast gleicht. Klimakatastrophe und Treibhausthese
Das Folgende ist deshalb von Bedeutung – obwohl mehr politischen Inhalts – weil die Energieeinsparverordnung und alle daraus entstehenden Baumaßnahmen ihre Grundlage in der „Treibhausthese“ haben. Der Mensch neigt dazu – vor allem wenn es ihm zu gut geht- an 37
Hierfür gilt das Lambert`sche Richtungsgesetz, das vorsieht, dass bei schräg eintreffender und schräg emittierter Strahlung der Cosinus des Strahlungswinkels als Faktor einzusetzen ist.
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Horrorszenarien zu glauben. Hierbei verhält er sich weitgehend irrational. Wie ein roter Faden zieht sich diese verhängnisvolle Neigung durch die Menschheitsgeschichte. So kam es zur Inquisition, zur Hexenjagd, zur schon zweitausend Jahre währenden Judenverfolgung, zur Kommunistenhatz in den USA, den furchtbaren Auswirkungen des Nationalismus. Die Reihe kann beliebig fortgesetzt werden. Allen diesen Ereignissen war stets auch ein handfestes materielles Interesse zugeordnet. Immer wurde hierbei auch prächtig verdient38. Fast immer wurden die Horrorszenarien durch die jeweiligen Herrschaftsstrukturen unters Volk gebracht. So lohnt immer, will man diesen Dingen auf den Grund gehen, die berühmte Frage „cui bono?“39 zu stellen. Sie führt zielsicher zu den Hintergründen, die von Hysterie, Intoleranz, Meinungsunterdrückung und Irrationalismus gekennzeichnet sind. Wenn wir ergründen, wer hierbei profitiert, haben wir auch die Urheber des Wahns dingfest gemacht. Nicht anders verhält es sich bei dem neuesten Horrorszenario, welches mit den Begriffen „Treibhausklima“ und „Klimakatastrophe“ verbunden ist. Die These, die dahinter steckt, ist falsch.40 Ihre Urheber sind Zyniker 41, die ersichtlich davon ausgehen, dass man der Menschheit ungestraft baren Unfug auftischen kann42. Was wird also behauptet?
Das Spurengas CO 2 bilde in der Atmosphäre – wo, wird schon nicht mehr erklärt – eine Schicht aus, durch die Sonnenstrahlung ungehindert zur Erdoberfläche hindurchgelange, dort absorbiert würde, sodass dort Wärmestrahlung emittiert wird, vom Kohlendioxid in der Atmosphäre wiederum absorbiert und remittiert würde, sodass es im Ergebnis zur Erwärmung der Atmosphäre und damit zu weltweiten Klimakatastrophen käme. Um dies zu verhindern, müsse der antropogene – also vom Menschen bewirkte - CO2 – Eintrag in die Luft drastisch gesenkt werden. Insbesondere müsse die Verbrennung fossiler Stoffe reduziert werden. Hierfür müsse vor allen Dingen Energie verteuert werden. Daneben gälte es, „erneuerbare“ Energie 43 verstärkt einzusetzen, wobei
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39 40 41 42
Die spätmittelalterlichen Judenpogrome in Regensburg dienten z.B. der Entschuldung. Die jüdischen Grabsteine dienten als Baustoff für die Errichtung einer Kirche am Neupfarrplatz, die – für protestantische Kirchen ungewöhnlich, der Jungfrau Maria gewidmet war. Für die Nichtlateiner: Wem nützt das? Siehe auch Wolfgang Thüne, Freispruch für CO2, Edition Steinherz, 2002 Siehe auch Sonja Magolina, Die gemütliche Apokalypse, Siedler Verlag Berlin 1995 Unser seinerzeitiger Bundesumweltminister Trittin geht sogar soweit, Kohlendioxid als „Klimakiller“ zu bezeichnen. Ihm ist offenbar völlig entgangen, dass diese Kohlenstoffverbindung notwendige Voraussetzung der gesamten belebten Natur ist.
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in Deutschland vor allem auf Windenergie gesetzt wird.
Zur Energieeinsparung müssten die Dämmstoffschichten eingepackt werden.
Gebäude
in
dicke
Zugleich wurde in Deutschland erfolgreich die Nutzung der Kernenergie tabuisiert und zum Teufelszeug stigmatisiert, obwohl gerade diese Technik kaum einen CO 2 - Ausstoß kennt. Wer diese Thesen nicht stützt oder gar sich gegen sie wendet, wird als „Klimaleugner“ diffamiert.44
Cui bono?
Da gibt es das Fachgebiet der „Globalklimaforschung“ 45, das sich zum pseudowissenschaftlichen Helfershelfer gemausert hat, nachdem es jahrelang ein Randgebiet der Forschung war. Inzwischen wird diesem Gebiet eine saftige Förderung aus Steuer – und Industriemitteln gewährt, es wird also reichlich Geld verdient. Nebenher werden feudale Weltreisen unternommen, bei denen die Forscher ein zehnminütiges Statement abgeben dürfen. Da kostet den Steuerzahler dann eine Redeminute schlappe € 20.000, --. Wann sonst schon kann ein Angestellter im öffentlichen Dienst sich derartige Reisen in so interessante Länder wie Südamerika, Japan oder Afrika leisten? Da gibt es die politischen Parteien, die schon seit eh und je wissen, dass man das Wahlvieh am Besten mit Horrorvisionen vor den Karren spannen kann. Selbst Parteien wie die Liberalen können sich dem nicht mehr entziehen. Die politische Auseinandersetzung dreht sich daher schon lange nicht mehr um das „Ob“, sondern darum, wer das eindrucksvollste Szenario bietet. Da gibt es die universitäre „Bauphysik“, von der sich ein ordentlicher Physiker mit Grausen abwendet, die inzwischen zum Kostgänger der Politik und der Industrie geworden ist, ohne deren Drittmittel die Institute geschlossen werden müssten. Das läuft nach dem Motto: „Wes Brot ich esse, des Lied ich singe.“ Ein einheitliches Merkmal dieser Pseudoforschung besteht darin, dass sie es ängstlich vermeidet, sich der wissenschaftlichen Disputation zu stellen. Stattdessen wurde sie zum bestellten Handlanger der Politik, in deren Diensten sie bereitwillig Verrat am Geist echter wissenschaftlicher Arbeit übt und mittlerweile so unverfroren geworden ist, dass sie nicht im Traum daran denkt, 43 44
Dieser Begriff steht im Widerspruch zum Energieerhaltungssatz. So Prof. Stefan Rahmstorf in Bild der Wissenschaft 1/2003. In diesem Artikel finden sich bemerkenswer te Widersprüche wie z.B. „Vor rund 100 Millionen Jahren betrug der CO 2-Gehalt der Atmosphäre ein Vielfaches des heutigen“. Wenig später wird uns folgendes mitgeteilt: „Die
Klimageschichte zeigt auch, dass der CO 2-Gehalt der Atmosphäre niemals auch nur annähernd so hoch gewesen ist wie jetzt.“ Was soll jetzt nun gelten? (der.Verf.) 45
Der Forschungsgegenstand „Globalklima“ existiert jedoch nicht. Er ist lediglich ein statistisch ge-
wonnenes Konstrukt, das aus einer willkürlichen Sammlung von Wetterdaten besteht, aus denen sinnlose Mittelwerte gewonnen werden.
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ordentliche wissenschaftliche Arbeit zu leisten, die dann aber auch zum eigenen Untergang führen würde. 46 Inzwischen bemühen sich die Beteiligten nicht einmal mehr, diese unappetitliche Verquickung von Politik und Industrieinteressen zu verbergen. Da wurde vor einiger Zeit die DENA GmbH gegründet, deren einziges Ziel darin besteht, Druck auf den Bürger auszuüben. Er soll ungeprüft bei der energetischen Gebäudesanierung die Produkte einkaufen, die nach den Verordnungen vorgeschrieben sind. Tut er das nicht, verliert er jeden Anspruch auf Förderung durch Zuschüsse und verbilligte Kredite der KfW. Die Gesellschafter der DENA sind die Bundesregierung und die KfW. Da gibt es endlich als Profiteur die Industrie, die auf der Grundlage von Bauvorschriften, die Umsatz erzwingen, gewaltige Gewinne einfährt, wohl wissend, dass sie nutzloses Zeug verscherbelt. 47 Die Träger dieses Geschehens stehen in unauflöslicher Wechselwirkung. Kontrolle und Kritik finden nicht mehr statt. Man kann von teils totalitären, teils mafiösen Strukturen sprechen. Ich befürchte, dass auch Korruption im Spiele ist, sodass es mich nicht wundern würde, wenn demnächst die Staatsanwaltschaft auf den Plan rückt. Was ist nun aber dran an der Treibhausthese?
Nichts. Die postulierte Gegenstrahlung existiert nicht. Noch niemals konnte sie gemessen werden. Die Absorptionslinien von CO 2 decken ein extrem schmales Spektrum ab, sodass der Treibhauseffekt, der sich ja über das gesamte Spektrum der Wärmestrahlung erstrecken müsste, nicht möglich ist. Wahr ist, dass das Erdklima sich in einem Gleichgewicht befindet und dass hier seit Anbeginn sich selbst regelnde Prozesse 48 stattfinden, deren Antriebsenergie von der Sonne kommt49 und die zur Konstanz der langjährigen Mittelwerte führen. Die Behauptung, dass sich seit Beginn der Industrialisierung das Weltklima um 0,7 °C erwärmt habe, steht auf unsicheren Füßen. Vor 150 Jahren gab es noch gar keine, den ganzen Planeten erfassende Messung von Klimadaten. Ebenso stand die Messtechnik noch in den Kinderschuhen. Legt man dennoch den Wert 0,7 K auf die in der Wissenschaft verwendete Kelvinskala im Bereich von 0 bis 46
Rühmliche Ausnahmen gibt es auch hier, die jedoch einen schweren Stand haben.
47
Auf der BAUTEC 2001 hatte ich ein Gespräch am Stand des bedeutendsten deutschen Dämmstoffherstellers. Meine Frage, was man von der Aussage von Prof. Gertis (Fraunhoferinstitut Holzkirchen) hielte, wonach die beste Dämmstärke 40 cm sei, erfuhr die Antwort: „Das ist natürlich Unsinn“. Mei ne weitere Frage, warum dann nicht die Industrie im Sinne einer ordentlichen Verbraucherberatung ihre Meinung hierzu veröffentlichte, wurde damit beantwortet, dass man sich gegen derartige Verkaufshilfen angesichts der Notwendigkeit zum maximalen Umsatz nicht wehren würde.
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Einer dieser sich selbstregelnden Prozesse besteht darin, dass bei erhöhter CO2-Gabe Pflanzen mit verstärktem Wachstum reagieren und hierdurch CO 2 in fester Substanz gebunden wird. Der Preisverfall bei Bauholz wird von der Holzwirtschaft auch darauf zurückgeführt, dass der mit etwa 20% höhere Holzzuwachs nicht mehr verkauft werden könne.
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In Abhängigkeit von der Sonnenfleckentätigkeit wechselt allerdings der solare Energieeintrag. Dies ist eine Ursache für Klimaschwankungen.
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305 K, bedeutet eine Temperaturerhöhung von 0,7 °C einen prozentualen Anstieg von 2,29 Promille. Dieser Wert liegt bereits weit unterhalb der Messbarkeitsgrenze und weit innerhalb der bekannten Schwankungen nach oben und unten. Das wissen die Klimaforscher auch. Damit das Ganze in ihrem Sinne etwas eindrucksvoller aussieht, behaupten sie - allerdings ohne die Spur eines Beweises – dass es eine Tendenz zur weiteren Erwärmung gäbe und zwar um bis zu 5,7 K.50 Die Angabe sogar einer Stelle hinter dem Komma zeigt, dass hier wissenschaftliche Arbeit vorgetäuscht werden soll. Die Folge sei das Abschmelzen des Polareises. Verschämt mussten sie einräumen, dass selbst dann, wenn das Nordpoleis schmelzen würde, der Meeresspiegel nicht um ein Millimeterchen steigen würde. Auch hier gilt nämlich das Gesetz des Archimedes. Auch bleiben sie die Antwort darauf schuldig, warum am Südpol entgegen den physikalischen Eigenschaften von Wasser das Eis schmelzen soll, wenn sich die Polarluft um 5,7 K erhöht, dennoch aber die Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt von Wasser bleiben werden. Unbestreitbar zeigt die Klimageschichte, dass es schon immer Veränderungen gegeben hat. In einem sich selbst regelnden System ist das ein völlig normaler Vorgang. Dass derartige Veränderungen für den Menschen gelegentlich unangenehm sind, ist ebenfalls normal und hinzunehmen. Wem das nicht passt, soll sich gefälligst einen anderen Planeten zur Heimstatt wählen. Jedenfalls kann man von der Erde nicht erwarten, dass sie bei ihrer Klimageschichte auf das Bedürfnis des Menschen Rücksicht zu nehmen hätte. Etwas sinnvoller ist wohl die Überlegung, dass der Planet Erde so wie er einmal ist, optimale Bedingungen für die Entwicklung menschlichen Lebens geboten hat. Nun daran herumzunörgeln, dass das Klima nicht immer so ist, wie es manche sich wünschen, ist kindisch und – weil daran ohnehin nichts zu ändern ist – auch sinnlos. Unseren Globalklimaforschern ist das aber nicht auszureden. Trotzig verkünden sie die dräuende Klimakatastrophe. Dass sie bei ihren Pseudoforschungen gelegentlich auch noch beim Fälschen und Schlampen erwischt werden, stört sie wenig. So haben jüngste Untersuchungen an fossilen Bäumen und an Korallen gezeigt, dass in den vergangenen tausend Jahren die Schwankung der mittleren Lufttemperatur mindestens doppelt so groß war wie bisher behauptet. Daran zeigt sich – wie nicht anders zu erwarten war – dass sich die derzeitige Temperaturerhöhung im normalen Schwankungsbereich befindet und so normal ist wie der Wechsel von Tag und Nacht 51. Von einer nahenden Klimakatastrophe also keine Spur. Die neuere Forschung zeigt nun folgendes: Untersuchungen an Bohrkernen im Gletschereis machten es möglich, das Klima der vergangenen 210 000 Jahre zu untersuchen. Demnach sieht es so aus, dass 50
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Die Angehörigen dieses Wissenschaftszweiges sind auch für die Wettervorhersagen zuständig. Mit Mühe schaffen sie es, das Wetter für etwa 3 Tage vorauszusagen. Da muss man sich schon fragen, ob bei diesen mageren Künsten es nicht eine Frechheit ist, Prognosen für die kommenden hundert Jahre mit Zehntelgrad Genauigkeit zu veröffentlichen. Veröffentlichung in Science-Online-Ausgabe GRL.Bd.26, S. 759
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sich Warm- und Eiszeiten gegenseitig abwechseln. Die Warmzeiten gehen darauf zurück, dass sich die Bahn der Erde um die Sonne verändert. Die Warmzeiten sind stets von einem höheren CO 2-Gehalt der Atmosphäre begleitet. Dieser ist jedoch Folge und nicht Ursache der Klimaerwärmung. 52 Welch unsinnige Blüten hervorgetrieben werden, zeigen schon ganz einfache, auch dem Laien verständliche Überlegungen: Der Anteil des vom Menschen herbeigeführten CO 2-Eintrags in die Atmosphäre wird selbst von den Anhängern der Treibhausthese nicht höher als 3% eingeschätzt. Nun hat der frühere Umweltminister Trittin als grandiosen Erfolg gefeiert, dass auf der jüngsten Umweltkonferenz der Völker eine Verringerung des antropogenen CO2-Eintrags von etwa 5% vereinbart worden sei. Rechnet man das aus, kommt man zu dem höchst beeindruckenden Ergebnis, dass – sollte dieses Ziel erreicht werden- aus dem Wert 3 % dann 2,85 % werden. Das ist praktisch gar nichts. Der Unterschiedsbetrag liegt weit unter der Messbarkeitsgrenze. Bezogen auf den gesamten CO 2-Eintrag sieht´s noch trauriger aus. Nun könnte man sagen: Lasst sie vor sich hinspinnen, wem schadet´s schon? Allerdings hat dieser systematisch betriebene Unfug ganz fatale Folgen. Durch die auf die Treibhausthese gegründete Ökosteuer – der Begriff trägt die Lüge sichtbar vor sich her – wird der Steuerzahler empfindlich abgezockt. Wenn die hierbei eingetriebenen Steuern wenigstens für den Naturschutz eingesetzt würden, könnte man sich damit noch trösten. In Wirklichkeit soll aber ein untüchtig gewordenes Sozialsystem über die Runden gerettet werden. Noch beunruhigender ist jedoch der Gedanke, dass wir uns daran gewöhnen sollen, dass Regierungen das Volk nach Strich und Faden belügen dürfen. Der Untersuchungsausschuss im Deutschen Bundestag des Jahres 2003 musste sich damit beschäftigen. Dabei ging es um Aussagen von Regierungsmitgliedern zur Haushaltslage der Bundesrepublik Deutschland vor der Wahl im September 2002. Seitens der Regierung wurde erklärt, dass dieser Untersuchungsausschuss überflüssig war, da man ja gar nicht bestritte, das Wahlvolk belogen zu haben. Weit haben wir es gebracht. Wir stehen somit am Ende der demokratischen Staatsverfassung und am Anfang eines Staatsterrorismus´, der sich nur noch im Vierjahresrythmus eine Scheinlegitimation besorgt. Um uns wieder dem eigentlichen Thema zu nähern: In der Verordnung EnEV finden wir ein erstes Ergebnis dieser Zustände vor. Diese zwingt sowohl die Hausbesitzer wie auch die Bauherren eines Neubaus zu Ausgaben, die der Energieeinsparung dienen sollen, in vielfacher Milliardenhöhe. Das Ziel der EnEV besteht – gemäß Präambel – in der „Reduktion des CO2-Eintrags zur Minderung des Treibhauseffekts“. Dass die empfohlenen Maßnahmen nutzlos sind, wird noch gezeigt werden. Das eigentliche Staatsinteresse besteht jedoch angesichts einer Staatsquote von 52
Veröffentlichung in Science, Bd.310, S. 1313 und 1317.
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über 50 % darin, große Geldmengen in die Staatskasse zu verfrachten. Eine gewisse Genialität kann man den Urhebern dieser Gaunerei nicht absprechen. Würde nämlich tatsächlich eine heizenergiemindernde Bauvorschrift erlassen, würde sich das Steueraufkommen aus Mineralölsteuern und sonstigen Energiesteuern mindern. Da dies vermieden werden muss, hat man eine Verordnung geschaffen, die ganz gewiss das Ziel der Energieeinsparung verfehlt. Angesichts der geoffenbarten Bereitschaft, das Volk hemmungslos zu belügen, hat sich bei mir die Überzeugung gefestigt, dass auch die Verantwortlichen die Nutzlosigkeit der EnEV von Anfang an kannten. Daher ist es auch erklärbar, dass wissenschaftlich sauber begründete Einwendungen gegen die EnEV grundsätzlich nicht behandelt werden, weil – wie gezeigt – ein echtes Interesse an Energieeinsparung gar nicht besteht. Cui bono? Physikalische Grundlagen der energetischen Vorgänge
Insgesamt sind die physikalischen Vorgänge an und in Gebäuden auch für den Nichtphysiker erfassbar. Die Schwierigkeiten der Bauphysik liegen darin, dass es sich bei den bauphysikalischen Vorgängen um nichtstationäre, also um dynamische Vorgänge handelt. Die Normen behandeln ausschließlich den stationären Zustand ,53 wie er im Labor simuliert werden kann, der jedoch an Gebäuden niemals anzutreffen ist. Ein erheblicher Teil der Fehlerhaftigkeit der Normen ist hierauf zurückzuführen. Energie
Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu leisten. Energie zeigt sich in vielen Spielarten. Als Axiom gilt, dass in einem geschlossenen System Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann. Im allgemeinen Sinne gilt dies für die durch das Universum verkörperte Energie. Wir sprechen daher auch vom Energieerhaltungssatz . Energie kann jedoch von einer Form in eine andere verwandelt werden. Auch hierbei geht prinzipiell keine Energie verloren. Wenn wir dennoch Begriffe wie Energieerzeugung, Energieverbrauch oder Energieverlust 54 verwenden, verstoßen wir gegen den Energieerhaltungssatz. Gemeint sind mit diesen Begriffen die vielfältigen Vorgänge bei der Energieverwandlung und Energieverlagerung, die zum Heizenergieverbrauch führen. Die Grundgröße der Energie ist 1 Joule (J) = 1 Newtonmeter (Nm) = 1 Wattsekunde (Ws) Im Bauwesen hat sich die Größe (Ws) und hiervon abgeleitet die Kilowattstunde (kWh) eingebürgert. Um den Fesseln des Energieerhaltungsatzes zu entkommen, werden wir daher 53 54
Zur Erklärung: Wenn ein Auto beschleunigt wird, haben wir den nicht stationären Zustand. Fährt danach das Auto gleichmäßig weiter, ist der Zustand stationär. Diese Begriffe sind anthropozentrisch. Die anthropozentrische Betrachtung der Natur war schon seit jeher eine Quelle von Irrtümern.
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künftig folgende Begriffe einführen: „Genutzte Energie“ und „ungenutzte Energie“ In der Bauphysik haben wir es im Wesentlichen nur mit zwei Energieformen zu tun: Strahlungsenergie und kinetische Energie. Sie repräsentieren überwiegend den Begriff „Wärmeenergie“. 55 Im Hinterkopf sollte man auch behalten, dass Energie stofflos ist. Strahlungsenergie (Wärmestrahlung)
Strahlungsenergie ist die Energie elektromagnetischer Wellen, wobei wir hier den Spektralbereich des gesamten Wellenspektrums meinen, der für die energetischen Vorgänge an Gebäuden von Bedeutung ist. Dieses Spektrum erstreckt sich vom langwelligen Infrarot bis hin zum Ultraviolett. Hierbei sind die kurzwelligen Bereiche energiehaltiger als die langwelligen. Wenn wir mit Wärmestrahlung rechnen, verwenden wir daher Durchschnittswerte mit ausreichender Genauigkeit. Jedoch sollten wir bedenken, dass die Sonneneinstrahlung den gesamten Bereich der Wärmestrahlung erfasst, während die Abstrahlung von Baustoffen immer nur das langwellige infrarote Spektrum betrifft. Die Arbeit, die diese Energieart leisten kann, besteht im Wesentlichen darin, dass sie dann, wenn sie von Stoffen absorbiert wird, zur Temperaturerhöhung führt. Wärmestrahlung ist die Folge quantenmechanischer Ereignisse im Teilchenbereich. Das Wirkungsprinzip hierfür wurde durch Max Planck (1858 – 1947) um 1900 erkannt und fand seinen Niederschlag im „Planckschen Strahlungsgesetz“, das zur Grundlage der Quantentheorie wurde. Vereinf achend betrachtet geschieht nach dem Atommodell von Niels Bohr folgendes: Die den Atomkern umgebenden Elektronen umkreisen diesen in geschlossenen Wellenzügen mit stets gleichen Wellenlängen. Daher können sie nur bestimmte Bahnen besetzen.56 Hierbei müssen wir uns vergegenwärtigen, dass nur in der Elektronenhülle die Wärmeenergie manifestiert ist. Der Atomkern ist hierbei energetisch neutral. Wird einem Atom Energie zugeführt, wird diese Energie von der Elektronenhülle aufgenommen. Da die Wellenlänge nicht verkürzt werden kann, nimmt das Elektron eine höhere Lage ein, die jedoch wiederum nur ganzzahlig mehrfach länger als eine Wellenlänge sein kann. In diesem neuen und höheren Energiezustand befindet sich nunmehr das Atom. Das entropische Prinzip 57 bewirkt, dass das Elektron bestrebt ist, wieder den 55
Der Begriff „Energie“ für sich gesehen ist abstrakt. Die Spielarten, bei denen sich Energie
manifestiert, sind unzählig groß. Mathematisch orientierte Physiker neigen dazu, mit Energie als einer abstrakten Größe rechnerisch umzugehen und verfallen hierbei häufig in den Fehler, unterschiedliche Energieformen mathematisch als Einheit zu behandeln und hierbei aber zu übersehen, dass sie in der Praxis getrennt zu behandeln sind. Zum Beispiel führt eine Gleichbehandlung der Energie, die in Luft vorhanden ist mit Strahlungsenergie zu fehlerhaften Empfehlungen. 56
Da diese Wellenlängen gemessen werden können, ist es den Astrophysikern möglich, die stoffliche Zusammensetzung von Sternen zu ermitteln.
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ursprünglichen niedrigeren Energiezustand einzunehmen. Hierbei muss es aber die aufgenommene Zusatzenergie wieder absondern. Das erfolgt durch die Emission eines Lichtquants, also einer Elementarwelle elektromagnetischer Natur geringster Größe. Diese Elementarwelle hat auch Teilcheneigenschaften, die dazu geführt haben, dass ihr der Begriff „Photon“ zugeordnet wird, wenn die Teilcheneigenschaften betrachtet werden. Das Photon ist masselos und bewegt sich daher mit Lichtgeschwindigkeit58. Jede Substanz, die eine Temperatur über dem absoluten Nullpunkt hat, sondert auf diesem Wirkungsprinzip gründend, Strahlungsenergie ab. Diese Strahlungsenergie unterliegt den gleichen Gesetzen wie sichtbares Licht. Trifft diese Energie auf ein Hindernis, hängt die weitere Energieumwandlung von den Eigenschaften des Hindernisses ab. An glatten, glänzenden Grenzflächen kommt es zur Reflexion , in lichtdurchlässigen Körpern kommt es zur Lichtbrechung, an bestimmten Strukturen kommt es zur Beugung, an undurchsichtigen und nicht reflektierenden Flächen kommt es zur Absorption . Dazwischen gibt es gemischte Ereignisse. Für die Bauphysik ist die Absorption der Strahlungsenergie von großer Bedeutung, da sie zur Erwärmung der bestrahlten Fläche führt. Das ist also im Wesentlichen die Arbeit, die von Strahlungsenergie geleistet werden kann. Von ebensolcher Bedeutung ist die Wärmeabstrahlung von Oberflächen nach dem Strahlungsgesetz von Stefan-Boltzmann., da sie im Wesentlichen den Energieabtrag an Außenwänden bestimmt. Die kleinste Energieeinheit, die bei dem Zurückfallen eines Elektrons auf eine niedrigere Umlaufbahn freigesetzt wird, hat die Bezeichnung „Quant“. Daher hat Planck ausgesagt, dass Energie „gequantelt“ ist und somit eine körnige Struk tur habe. Kinetische Wärmeenergie (Bewegungsenergie)
Wenn wir einen uns warm erscheinenden Gegenstand berühren, haben wir eine Wärmeempfindung. Die Natur dieser Wärmeempfindung war bis in das erste Drittel des 19.Jhdts. hinein unbekannt 59. Bald danach wurde jedoch erkannt, dass Wärme eine Form der Energie ist. Sie wurde sodann als die Bewegungsenergie der um einen Ruhepunkt schwingenden Teilchen definiert. Somit ist die Wärmeempfindung das Spüren der Aufprallenergie schwingender Teilchen. Die Schwingungsenergie (E k ) wird aus den Bewegungsgesetzen abgeleitet und hat die Formel Ek = ½ * m * v² Hierbei ist (m) die Masse des schwingenden Teilchens, (v) dessen Geschwindigkeit im Schwingungsvorgang 60. Die Formel ist auch aus sonstigen 57
Jedes System neigt dazu, den geringstmöglichen Energiezustand einzunehmen.
58
Hierdurch ist die Lichtgeschwindigkeit definiert. Da es etwas Geringeres als Masselosigkeit nicht gibt, kann die Lichtgeschwindigkeit als nicht weiter erklärbare Naturkonstante auch nicht übertroffen werden. Die Idee einer Hyperlichtgeschwindigkeit wäre nur dann tragfähig, wenn Naturkonstanten inkonstant werden könnten. Ein Universum ohne Naturkonstanten ist aber offenbar nicht möglich.
59
Die damaligen Naturforscher und Philosophen glaubten, dass es einen Wärmestoff gäbe, den sie „Phlogiston“ oder „Caloricum“ nannten.
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Bereichen, z.B für gleichmäßig beschleunigte oder verzögerte Bewegungen aus dem Fahrschulunterricht allgemein bekannt. Wie auch bei der Strahlungsenergie sind die Messgrößen für kinetische Energie 1 Joule (J) = 1 Newtonmeter (Nm) = 1 Wattsekunde (Ws) Wir können daher Strahlungsenergie und kinetische Energie rechnerisch gleich behandeln. Von einer gemeinsamen Berechnung ist jedoch dringend abzuraten, da die physikalischen Vorgänge grundlegend verschieden sind. Die Formel für (Ek ) zeigt, dass nur Masse und Geschwindigkeit behandelt werden. Da die Masse stets gleich bleibt, können wir unmittelbar aus der Formel ablesen, dass nur die Schwingungsgeschwindigkeit eine Veränderung des Energiebetrags bewirkt.61 Je größer die Schwingungsgeschwindigkeit ist, umso größer ist daher auch die Energie. Energiehaltige – also warme – Stoffe bestehen also aus schwingenden Teilchen. Dies gilt für alle Aggregatzustände, also auch für Luft und Wasser. Und ebenso gilt dies für Wasserdampf. Wasserdampfteilchen schwingen bei baupraktischen Temperaturen beispielsweise mit einer Geschwindigkeit (v) von etwa 2000 m/s.62 Energieverlagerungen
Das entropische Prinzip, das darin besteht, dass in einem geschlossenen energiehaltigen System sich der niedrigste und gleichmäßigste Energiezustand einstellt, führt zu Energieverlagerungen, die stets vom höheren zum niedrigeren Energiezustand gerichtet sind. Volkstümlich: Wärme strömt zur Kälte. Daher kann „Kälte“ nicht in eine warme Wand einströmen, auch wenn dies so empfunden wird. Den Dualismus „Wärme – Kälte“ gibt es in der Physik nicht. Der Begriff „Kälte“ beschreibt daher nur die Empfindung für einen niedrigen Energiezustand. Die Physik kennt nur unterschiedliche Energiezustände 63. Das Phänomen der Energieverlagerung vom höheren zum niedrigen Energiezustand ist eine der Ursachen für die energetische Problematik an Gebäuden. Am Bau haben wir es mit einem sehr geringen Temperaturspektrum der nach 60
Hierbei ist zu beachten, dass Schwingungsvorgänge sich aus gleichmäßig beschleunigten und verzögerten Bewegungszuständen zusammensetzen, woraus folgt, dass die bei Schwingungszuständen vorhandene kinetische Energie oszilliert.
61
Bei sehr hohen Energiezuständen sind die Schwingungsgeschwindigkeiten so groß, dass auch relativistische Effekte zu berücksichtigen sind. In der Bauphysik ist dies jedoch ohne Belang.
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Wir sehen also, dass der Begriff „Wärmeenergie“ am Bauwerk sich aus der Strahlungsenergie im Be reich der Wärmestrahlung und aus der Bewegungsenergie schwingender Teilchen zusammensetzt.
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Die Vorstellung, wonach Kälte das Gegenteil von Wärme sei, setzt das Vorhandensein einer negativen Energie voraus. Stephen Hawkins beschäftigt sich derzeit mit dieser Hypothese.
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oben offenen Kelvinskala zu tun. Empirisch wissen wir, dass die geringste Temperatur der Außenluft etwa – 20 °C beträgt. Die baupraktisch relevante maximale Temperatur der Sommerluft beträgt etwa 30 °C. Absolut ist dies eine Temperaturspreizung von 50 K die 16,5% der am absoluten Nullpunkt beginnenden und bei +30 °C endenden Temperaturspanne beträgt 64. Das ist im Grunde wenig65. Weil wir es am Bau nur mit Strahlungsenergie und kinetischer Energie zu tun haben, können wir die Betrachtung der Energieverlagerung hiernach ordnen. Hierbei werden wir sehen, dass die Strahlungsvorgänge verhältnismäßig präzise erfasst werden können, während die Verlagerung von kinetischer Energie kompliziert und vielschichtig ist. Berechnungen der kinetisch bestimmten Energieverlagerungen sind daher mit Fehlern behaftet, die sich jedoch nicht gravierend auswirken, weil ihr Anteil an den energetischen Vorgängen insgesamt gering ist. Energieübergang von Strahlung in feste Stoffe (Absorption)
Wenn Strahlungsenergie auf feste Körper trifft, geht die Energie des Photons in kinetische Energie der Teilchen über. Beim hypothetischen Schwarzen Körper würde die gesamte Strahlungsenergie sich in Bewegungsenergie umwandeln. Die Photonen heben beim Auftreffen die Elektronenwolke, die um die Atomkerne herumschwingt, auf eine höhere Ebene, die Schwingungsenergie nimmt entsprechend zu. Diese Umwandlung von Strahlungsenergie in kinetische Energie erfolgt nach dem Energieerhaltungssatz verlustlos. Da jedoch alle Stoffe ein Reflexionsvermögen haben, wird nicht die gesamte einstrahlende Energie im Stoff aufgenommen. Ein Teil dieser Energie wird reflektiert, ohne dass sie energetisch irgendetwas im Stoff bewirkt. Wenn wir etwas sehen, ist dies eine Folge reflektierter elektromagnetischer Wellen. Der hypothetische Schwarze Strahler, der ja die gesamte Strahlungsenergie verschluckt (absorbiert), wäre daher für uns unsichtbar. 66 Zwischen Absorption und Reflexionsvermögen besteht daher der Zusammenhang, dass die Summe aus eingestrahlter Energie gleich der Summe aus absorbierter und reflektierter Energie ist. Hier gilt daher die Gleichung: EStrahlung = Ereflektiert + Eabsorbiert
In gleicher Weise sind Strahlungsfähigkeit und Absorptionsfähigkeit miteinander verbunden. Der spezifische Absorptionskoeffizient ist dem 64
Allerdings können sonnenbestrahlte Oberflächen erheblich wärmer, abstrahlende Flächen erheblich kälter werden.
65
Diese Schrift behandelt folglich nur die Bauphysik für gemäßigte Breiten. In tropischen oder arktischen Regionen gelten zwar die physikalischen Grundsätze ebenso, im Hinblick auf die Bedürfnisse des Menschen führen sie jedoch zu teils gravierend anderen Empfehlungen.
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Nach diesem Prinzip waren wohl die sagenhaften Tarnkappen gebaut.
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Strahlungskoeffizienten gleich. Daher kann messtechnisch sowohl der Absorptionskoeffizient wie der Strahlungskoeffizient aus dem Reflexionsvermögen einer Stoffoberfläche ermittelt werden. Etwas komplizierter wird es dann, wenn bei den Strahlungsvorgängen ganz oder teilweise durchsichtige, durchscheinende oder sonst wie für elektromagnetische Wellen durchlässige Stoffe, z.B. Glas im Spiele sind. Hier sind zusätzlich auch noch Durchlässigkeitskoeffizienten zu berücksichtigen. Der Gesamtbetrag der Strahlungsenergie ändert sich jedoch hierbei nicht. Abstrahlung von Wärmeenergie
Die am Bau vorherrschenden energetischen Geschehnisse werden in ganz überwiegendem Maße durch Strahlungsprozesse bestimmt. Hierbei ist zu bedenken, dass zwischen Luft und festen Stoffen ein Energieaustausch durch Strahlungsvorgänge so gut wie nicht stattfindet. Luft hat nämlich einen gegen Null tendierenden Strahlungs- bzw. Absorptionskoeffizienten und ist – baupraktisch gesehen – für Strahlung vollkommen durchlässig. Luft wird daher nicht unmittelbar durch die Sonneneinstrahlung erwärmt sondern erst dann, wenn sie mit erwärmten Stoffen, z.B. der Erdoberfläche in Berührung kommt. Damit Strahlungsprozesse geschehen können, muss die Schicht einen freien Strahlungsraum von wenigstens einer Lichtwellenlänge haben. Die diesbezüglichen Dimensionen bewegen sich im Mikrometerbereich. Im Normalfall kann sich daher Strahlung ungehindert entfalten. Von großer Bedeutung ist, dass Abstrahlung völlig unbeeinflusst von sonstigen äußeren Zuständen in der näheren oder weiteren Umgebung stattfindet. Eine Wandoberfläche strahlt daher ständig und unaufhaltsam, vollkommen unbeeindruckt etwa auch von der Zusammensetzung hinter der strahlenden Oberfläche. So sind auch Dämmstoffe auf einer Wandoberfläche für das Abstrahlverhalten einer Wand vollkommen unmaßgeblich. Prinzipiell findet Abstrahlung solange statt, bis der strahlende Stoff seine gesamte Energie abgegeben hat. Er befände sich somit in der Temperatur des absoluten Nullpunkts. Dieser Temperaturzustand kann jedoch in der Praxis nicht erreicht werden, weil auf jeden Körper auch Wärmeenergie einstrahlt. Es wird noch gezeigt werden, dass die Summe aus Einstrahlungs- und Abstrahlungsvorgängen am Gebäude den Energieumsatz im Wesentlichen bestimmt. Der Einfluss aus konvektiven Vorgängen und Lüftungswärmeverlusten ist beim Gesamtenergieumsatz gering. Ebenso geringfügig ist der Anteil von Beheizungsanlagen. Bei der großen Bedeutung, die der Einsparung von Heizenergie zugemessen wird, muss dies in der neuen Bauphysik berücksichtigt werden. Die Norm DIN 4108 betrachtet hingegen Strahlungsprozesse überhaupt nicht. Sie betrachtet lediglich die energetischen Vorgänge, die dadurch ausgelöst werden, dass zwischen der Raumluft und der Außenluft ein Temperaturunterschied besteht, der Wärmeleitungsvorgänge innerhalb des Baustoffs auslöst. Daher verfehlt diese Norm jeglichen
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Lösungsweg zur Energieeinsparung. Austausch von Strahlungsenergie zwischen Flächen
Innerhalb eines Gebäudes findet permanent zwischen den strahlenden Stoffen ein Energieaustausch statt. Zur Vereinfachung der folgenden Betrachtungen stellen wir uns das Gebäude leer vor, außerdem unterstellen wir zur weiteren Vereinfachung, das der Entwurf auf rechtwinkliger und senkrechter Geometrie – wie immer noch vorherrschend – aufgebaut ist. Weiterhin unterstellen wir, dass die Strahlung senkrecht von der Fläche ausgeht und daher die bestrahlten Flächen senkrecht trifft. 67 Für baupraktische Überlegungen ist diese Annahme ausreichend genau. Von jetzt an haben wir es jedoch mit sehr verschiedenen Möglichkeiten des Strahlungsaustausches zu tun. Ich empfehle dem Leser, zum besseren Verständnis des Folgenden Skizzen anzufertigen. Gleichartige Flächen
Parallel gegenüberliegende Flächen mit gleichem Strahlungskoeffizienten, also z.B. zwei weiß gestrichene verputzte Wände bestrahlen sich gegenseitig unaufhörlich. Sollte zunächst eine der Wände wärmer sein, wird sie, dem Gesetz von Stefan-Boltzmann folgend, auch eine höhere Strahlungsenergie emittieren. Die kältere Wand absorbiert einen Teil der eingestrahlten Energie, sodass sie ein höheres Energieniveau einnehmen wird. Je nach Wärmekapazität der beiden Wände wird sich früher oder später das Energieniveau der beiden Wände angleichen. Der freie Raum zwischen den Wänden ist sodann von gleicher Strahlungsenergie erfüllt, die sich gegenseitig durchdringt und nicht – wie in mancher Fachliteratur angegeben ist – sich gegenseitig aufhebt. Dieser Energiezustand kennzeichnet sodann das Strahlungsklima im Raum. Flächen mit ungleichen Strahlungskoeffizienten 68 (ε)
Stehen sich Flächen mit ungleichen Strahlungskoeffizienten gegenüber, also auch mit entsprechend ungleichem Reflexionsvermögen, kommt es zu keinem Energieabgleich sondern zu einem gerichteten Wärmestrom 69 aus Strahlung (Φs). (ε) links kleiner als rechts
Hat nun die beheizte – linke – Wand den geringeren Strahlungskoeffizienten und damit einhergehend den höheren Reflexionsgrad, wird sie einen entsprechend geringen Anteil der kinetischen Wärmeenergie als Strahlung emittieren. Hätten wir es hierbei mit einer hochreflektierenden Oberfläche zu tun, hätte diese Oberfläche sogar einen wärmerückhaltenden Effekt für die hinter der Reflexionsschicht befindliche Wärmeenergie. Die abgestrahlte Energie 67
In Wirklichkeit geht von jedem Flächenpunkt Strahlung so aus, dass eine über diesem Punkt gedachte halbkugelige Schale gleichmäßig von den Photonen getroffen würde.
68
Die nachfolgenden Erörterungen des Strahlungsausgleiches zwischen parallelen Flächen gehen davon aus, dass links die beheizte, rechts die unbeheizte Außenwandoberfläche ist.
69
Der Begriff „Wärmestrom“ ist metaphorisch und entstammt noch der Vorstellung, dass es einen
Wärmestoff gäbe.
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trifft auf die stärker absorbierende Wand, wo sie zum größeren Teil in kinetische Energie umgewandelt wird. Ein Teil dieser Energie wird durch Wärmeleitungsprozesse abgeführt, der andere Teil wird zur reflektierenden Schicht zurückgestrahlt, dort wiederum reflektiert und so fort. Da ein Teil dieser Energie jeweils von der rechten Schicht absorbiert und abgeleitet wird, pendelt sich im Verlaufe des Prozesses ein nach rechts gerichteter Energiestrom ein, vorausgesetzt, dass die Energiezufuhr von links aufrecht erhalten bleibt. Diese schwankt bei instationären Zuständen, wie sie am Bauwerk bestehen, beträchtlich. Stellen wir uns diese Situation z.B. für eine zweischalige Außenwandkonstruktion mit innen liegender Luftschicht vor, weiterhin, dass durch Sonneneinstrahlung die rechte Schicht erwärmt wird und wärmer als die linke Schicht ist, würde dies dazu führen, dass die von außen kommende Energie an der linken Reflexionsschicht nach außen zurück gespiegelt würde. Nachteilig wäre dies für die Energiekosten in der Heizperiode, vorteilhaft jedoch im Sommer, da die linke Wand kühl bliebe. (ε) links größer als rechts
Bei einer derartigen Konstellation ändert sich der Ablauf bei sehr guten Reflektoren und einer beheizten Innenwand dramatisch. Der überwiegende Teil der abgestrahlten Energie wird nach links reflektiert und bleibt somit der Konstruktion erhalten. Dies ist das Grundprinzip einer neuen Technik der Energierückhaltung, die der Verfasser entwickelt hat und die inzwischen patentiert ist.70 Der sommerliche Wärmeschutz ist auch bei dieser Konstruktionsweise gegeben, da die von außen eingestrahlte Energie wegen der geringen Strahlungsfähigkeit von reflektierenden Schichten in der rechten Wandschicht zurückgehalten wird71. Mathematische Behandlung von im Strahlungsaustausch stehenden Flächen
Die Physik von im Strahlungsaustausch stehenden Flächen wird mathematisch unter der vereinfachenden aber doch zu sehr genauen Ergebnissen führenden Annahme behandelt, dass die Emission der Flächen sich aus der unmittelbaren Wärmestrahlung nach dem Strahlungsgesetz von Stefan – Boltzmann und einer einmaligen Reflexion der von der gegenüberliegenden Fläche kommenden Wärmestrahlung zusammensetzt. Betrachtet werden somit in getrennter Berechnung die Strahlungswärmeströme von links ( Φli) und von rechts (Φre) Hierbei bezeichnen wir die unmittelbare Strahlungsenergie von links mit ( Φsli), die von rechts mit (Φsre). Die reflektierte Strahlungsenergie bezeichnen wir an der linken Seite mit (Φrli) und rechts mit (Φrre). Für die beiden 70
In anderen Bereichen des täglichen Lebens wird dieser Effekt schon sehr lange und auch erfolgreich genutzt. Denken Sie an die Thermoskanne, an reflektierende Folien im Rettungswesen und auch an das in Alufolie eingewickelte Wienerwaldhendl.
71
Die konstruktive Umsetzung dieser Technologie wird im anwendungstechnischen Teil unter dem Begriff „Termosfassade“ behandelt.
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Teilwärmeströme gilt sodann: Φli
=
Φsli + Φrre
Φre
=
Φsre + Φrli
Der resultierende Wärmestrom aus Strahlungsvorgängen ( Φs) ist die Differenz aus den beiden Teilwärmeströmen nach der Beziehung Φs
=
Φli - Φre
Wird das Ergebnis für (Φs) negativ, findet von rechts ein überschießender Energieeintrag statt. Die Heizanlage kann, falls sich diese physikalischen Vorgänge in einer zweischaligen Außenwandkonstruktion abspielen, abgeschaltet werden. Die vorstehende Berechnung des Wärmestroms aus Strahlungsvorgängen zwischen parallelen Flächen zeigt in den Ergebnissen sehr anschaulich die Energiebeträge, die hin und hergeschickt werden. Die jeweiligen Energiebeträge werden für (Φs) nach dem Strahlungsgesetz von Stefan-Boltzmann errechnet, die Beträge für (Φr) mit Hilfe der Emissionskoeffizienten, also als Bruchteile von (Φs). Sollten für das Reflexionsvermögen keine Tabellenwerte zur Verfügung stehen, kann es mit ausreichender Genauigkeit aus den Strahlungskoeffizienten abgeleitet werden. Die tatsächlichen Energiebeträge in (W/m²) können durch den Praktiker sehr einfach mit folgenden Formeln errechnet werden: Φ = Cli-re * A * (Tli /100)4 – (Tre /100) 4
Hierbei sind (Tli) und (Tre) die absoluten Temperaturen in (K) der im Strahlungsaustausch stehenden Flächen. (C li-re) ist der Strahlungsaustauschkoeffizient, der nach folgender Formel errechnet wird: Cli-re = 5,67 / (1/εli + 1/εre – 1)
Hierbei sind (εli) und (εre) die Strahlungskoeffizienten der im Strahlungsaustausch stehenden Flächen, der Wert 5,67 ist (σ) des Schwarzen Strahlers. Die obigen Formeln ergeben den tatsächlichen Energiestrom in W/m². Bei positivem Ergebnis geht der Energiestrom von links nach rechts, bei negativem Ergebnis ist der Energiestrom von rechts nach links gerichtet. Es findet sodann ein Energieeintrag von außen nach innen statt 72. In der praktischen Anwendung empfiehlt es sich, im ersten Rechengang den 72
Der hier vorgestellte Rechengang folgt Cerbe/Hoffmann, Einführung in die Thermodynamik, Hanser – Verlag, 1994.
33 Strahlungsaustauschkoeffizienten (C12)73 zu berechnen, der bei allen weiteren
Berechnungen gleich bleibt. Er kennzeichnet den Strahlungsaustausch innerhalb der einmal gewählten Konstruktion.
Da eine genauere Berechnung der energetischen Vorgänge dann gegeben ist, wenn unterschiedliche Klimalagen untersucht werden, dürfte sich eine stundenweise Berechnung einbürgern. Durch eine entsprechend sinnvolle Anwendung des mit Hilfe von EXCEL möglichen Rechenverfahrens, können hier sehr rasch unterschiedliche Wetterbedingungen berechnet werden. Im gleichen Rechengang kann auch der sommerliche Wärmeschutz einer derartigen Konstruktion überprüft werden. In der Regel erscheinen im Sommer die Werte für (Φ) mit negativem Vorzeichen. (Bei dieser Definition von links und rechts )74 Wärmestrahlung und menschlicher Körper
Betrachten wir unseren Körper genauer, stellen wir fest, dass er an dünnen Partien durchscheinend ist. Halten wir unsere Hand gegen eine starke Lichtquelle, sehen wir einen roten Lichtschein. Auch Ohren werden von der Sonne mühelos durchstrahlt. Kinder nützen diesen Effekt wirkungsvoll zum Schrecken ihrer Geschwister, indem sie eine Taschenlampe in den Mund stecken und hierdurch beeindruckende gespenstische Effekte bewirken. Strahlung dringt also auch in den menschlichen Körper ein. Augenscheinlich wirkt Strahlung in die Tiefe des menschlichen Körpers durch die Haut hindurch. Somit wird ein erheblicher Teil der Körpersubstanz unmittelbar von Wärmestrahlung erreicht. Besonders effektiv ist dieser Vorgang natürlich, wenn der Körper der unmittelbaren Sonnenstrahlung ausgesetzt ist. Er ist jedoch auch beim bekleideten Menschen vorhanden, da auch Kleidungsstücke Wärme abstrahlen. Die „wärmende“ Wirkung der Kleidung besteht weniger in der Dämmfähigkeit der Stoffe. Diese wirkt sich schon wegen der geringen Materialstärke nur unwesentlich aus. Von erheblich größerer Wirkung ist das Strahlungs- und Reflexionsvermögen von Textilien. Auch hier gelten als überwiegend bedeutender Vorgang die physikalischen Effekte von im Strahlungsaustausch stehenden Oberflächen. 75 Beim bekleideten Menschen sind daher auch die Umgebungslufttemperaturen von nur untergeordneter Bedeutung. Der klimatische Zustand der Schicht zwischen Hautoberfläche und Kleidung wird nahezu ausschließlich durch Strahlungsprozesse bestimmt. Wir müssen uns daher mit der Einsicht vertraut machen, dass die Temperatur der Umgebungsluft – vor allem in geschlossenen Räumen - kein Endziel ist. Die Lufttemperatur ist in geschlossenen Räumen nur ein Indikator für den Strahlungszustand im Raum. Das Strahlungsklima wird 73
In der DIN EN ISO 6946 wurde dem Strahlungsaustauschkoeffizienten, der dort „Strahlungsaustauschzahl“ heißt, der Buchstabe (E) zugeordnet.
74
Wer Schwierigkeiten im Verständnis zum Strahlungsaustausch hat, kann sich auch in er Fachliteratur orientieren. Sehr gut ist das z.B. dargestellt in Cerbe/ Hoffmann, Einführung in die Thermodynamik, Hanser Verlag, 10.Aufl.1994.
75
Der Siegeszug baumwollener Unterwäsche geht auf das gute Reflexionsvermögen von Baumwolle zurück.
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ausschließlich durch die Strahlungskoeffizienten bestimmt.
Oberflächentemperaturen
und
den
Wärmeleitung, Ursachen und Einflüsse
Wärmeleitung ist Energieverlagerung in festen Stoffen. Der Vorgang der Wärmeleitung ist grundsätzlich sehr einfach. Es geschieht annähernd das Gleiche wie auf dem Billardtisch. Energiehaltige Teilchen geben ihre Bewegungsenergie durch elastische Stöße an andere Teilchen weiter. Aus statistischen Gründen und wegen des Gesetzes der großen Zahl kommt es im Ergebnis dazu, dass sich in allen Stoffen die Bewegungsenergie gleichmäßig durchmischt. Der Übergang von Energie zwischen gasförmigen und festen Stoffen heißt Konvektion und kann nur dann in nennenswertem Masse stattfinden, wenn das Gas – in der Physik Fluid genannt – am festen Körper vorbeistreicht. Haben wir den am Bau vorherrschenden Fall, dass an einer Grenzschicht Wärmeenergie durch Strahlung oder Konvektion abgegeben wird und das Bauwerk verlässt, wird – soweit vorhanden – Energie aus anderen Bereichen des Bauteils nachgeführt. Wird sehr viel Energie vom Bauwerk abgegeben – was vorwiegend an der Gebäudehülle geschieht - und ist an anderer Stelle des Stoffs ein hohes Energieniveau, herrscht ein entsprechend großes Temperaturgefälle, welches für die Schnelligkeit des Wärmeleitungsvorganges verantwortlich ist. Das Temperaturgefälle ist es wert, einer gesonderten Betrachtung unterzogen zu werden. Ganz ist das Gleichnis vom Billardtisch nämlich nicht richtig. In Wirklichkeit schwingen natürlich alle Teilchen, während die angestoßenen Billardkugeln ja still liegen. Nur Teilchen im Energiezustand des absoluten Nullpunkts schwingen nicht. Sie sind – unter den Einschränkungen des Mößbauereffekts allerdings – zur Ruhe gekommen. Ich selbst postuliere außerdem eine „thermische Resonanz“ (T.R.), was besagt, dass ein Teilchensystem dazu neigt, sozusagen im Gleichschritt zu schwingen. Der Vergleich mit dem Vorgang in einem Ballsaal, bei dem die Tänzer sich im gleichen Takt bewegen, vermag zu verdeutlichen, dass hier wie da die Häufigkeit von Kollisionen mit zunehmender Resonanz abnimmt 76. Somit verlangsamt sich bei zunehmender Resonanz die Wärmeleitung ganz erheblich. Die Resonanz nimmt mit steigendem Temperaturgefälle ab, die Kollisionshäufigkeit nimmt entsprechend zu. Somit wird auch erklärbar, dass das Maß der Wärmeleitung progressiv zum Temperaturgefälle zunimmt. Dies wird allerdings in den Tabellen zu den Wärmeleitzahlen nach DIN 4108 nicht 76
In der Fachliteratur habe ich bis heute nichts über „thermische Resonanz“ gefunden. Zu vermuten ist, dass die Fähigkeit zur thermischen Resonanz eine spezifische Eigenschaft von Stoffen ist. Damit wäre auch erklärbar, dass Stoffe mit gleicher Masse unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit haben. (z.B. Vergleich von Glas mit Aluminium) Gelänge es den Festkörperphysikern, Einfluss auf die spezifische T.R. zu nehmen, könnte sodann ein Verfahren zur Veränderung der Wärmeleitfähigkeit von Stoffen entwickelt werden.
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berücksichtigt. Dort finden wir nur Durchschnittswerte. Dies wäre nun bei den verhältnismäßig geringen Temperaturstufungen in homogenen Baustoffen recht unbedeutend. Von erheblicher Bedeutung ist dieser Effekt jedoch in aussenliegenden Dämmstoffen, wenn diese nicht nur zur Erhöhung des Temperaturniveaus im gedämmten Stoff sondern zur Energieeinsparung eingesetzt werden. In den Dämmstoffen befindet sich nämlich ein sehr großes Temperaturgefälle innerhalb einer dünnen Schicht, das im baupraktischen Bereich ein Ausmaß erreichen kann, das zu einem überproportionalen Energiedurchgang führt. Um diesen Effekt in seiner ganzen Größe zu ermessen, müssen wir uns vergegenwärtigen, dass vor allem in klaren Winternächten die Dämmstoffoberfläche durch Abstrahlung weit unter die Lufttemperatur abkühlen kann. Da die Schicht hinter dem Dämmstoff meistens noch etwa 12 – 15 °C hat, haben wir es somit mit einem großen Temperaturgefälle zu tun und somit auch mit einem beträchtlichen Energiedurchgang, der erheblich größer ist, als er nach den Rechenverfahren möglich ist. Dies ist einer der Gründe, weshalb alle Versuche, mit nachträglich angebrachten Dämmschichten die Heizkostenrechnung zu senken, fehlgeschlagen sind. Andere Ursachen dieser Fehlschläge werden noch a.a.O. erörtert werden. Von weiterem Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit ist die stoffliche Struktur. Besonders gut erkennbar wird dies beim Vergleich von Aluminium mit Glas. Die Stoffdichten sind mit 2,56 kg/dm³ bzw. mit 2,40 – 3,00 kg/dm³ angegeben. Die Stoffdichten – also das spezifische Gewicht – sind also fast gleich groß. Gewaltig unterschiedlich sind aber die jeweiligen Wärmeleitzahlen (λ) in (W/mK). Aluminium hat den Wert 229,00, Glas hat den Wert 0,75. Demzufolge leitet eine Schicht aus Aluminium den 305 – fachen Energiebetrag einer gleich dicken Glasschicht 77. Die oft gehörte Ansicht, dass die Stoffdichte die Wärmeleitzahl bestimmen würde, ist somit falsch. Da sich Aluminium von Glas strukturell dadurch unterscheidet, dass es ein kristallines wohl geordnetes Gefüge hat und ausserdem elektrisch leitfähig ist, während Glas ein amorphes Gemenge von zusammengeschmolzenen Mineralien ist, ist erkennbar, dass Stoffe mit kristallinem Gefüge die besseren Wärmeleiter sind. Verdeutlicht wird dies damit, dass Quarzglas, das bereits ein kristallines Gefüge hat, ansonsten stofflich fast die gleiche Zusammensetzung wie Fensterglas hat, bereits eine Wärmeleitzahl von 1,36, also immerhin schon doppelt so groß, aufweist. Von weiterhin erheblichem Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit ist die elektrische Leitfähigkeit von Stoffen. Bei elektrischen Leitern verlagert sich der Wärmeenergietransport auf die freien Leitungselektronen, die ihrerseits ihre Energie an die Stoffteilchen übergeben. Dieser Effekt wird auch in eigentlichen Nichtleitern wirksam, wenn sie durchfeuchtet sind. Das in den mineralischen Baustoffen enthaltene Wasser löst vorhandene Salze und wird somit zum elektrisch leitenden Elektrolyten. 77
Quelle: Buderus, Handbuch der Heizungstechnik.
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Abgesehen davon, dass das in den Stoffporen enthaltene Wasser die Schwingungsenergie unmittelbar weiterleitet, führt es dazu, dass es auch in mineralischen Baustoffen zu zusätzlichen Wärmeleitungsprozessen wie in Metallen kommt. In mineralischen Baustoffen eingelagertes Wasser, das besonders in Altbausubstanzen bis zu 15% des Mauervolumens erreichen kann, verstärkt dies die Wärmeleitung beträchtlich. Gelingt es, derartige Mauern in einen dauerhaft trockenen Zustand zu bringen, sinken die Wärmeleitzahlen bis auf ein Viertel des ursprünglichen Wertes.78 In porigen Baustoffen bei einer Porengröße im Mikrometerbereich und größer kommt es zu stoffinternen Strahlungsprozessen. Für diese Strahlungsprozesse gilt uneingeschränkt das Strahlungsgesetz von Stefan – Boltzmann. Auch hier wird ein zusätzlicher Wärmestrom in Gang gesetzt, der durch die unterschiedlichen Porenwandtemperaturen bei gleichem Strahlungskoeffizienten bestimmt ist. Je größer die Stoffporen sind, umso bedeutender ist diese Art der Wärmeleitung. Wegen der Großporigkeit von Dämmstoffen insbesondere aus Polystyrol und wegen des sehr großen Temperaturgefälles innerhalb der Dämmschicht sind in derartigen Stoffen die Strahlungsprozesse besonders intensiv und mindern daher die dämmende Wirkung. Verstärkt wird dieser Effekt durch den nahe beim Schwarzen Strahler liegenden Strahlungskoeffizienten von Polystyrol. Da die absolute Temperatur bei der Berechnung von Strahlungsenergie mit der vierten Potenz als Faktor eingeführt wird, ist auch deshalb die Annahme der DIN 4108, wonach die Wärmeleitung linear mit dem Temperaturgefälle anstiege, falsch. Wir sehen also, dass Wärmeleitung in Baustoffen ein äußerst vielschichtiger und vielseitig beeinflusster Vorgang ist, der mit den in den Normen angegebenen Wärmeleitzahlen nur unzureichend beschrieben ist. Die fourier´sche Wärmeleitungsgleichung ist daher eine extreme Vereinfachung und nur eingeschränkt verwendbar. 79 Wärmeleitung in mineralischen Baustoffen
Hierzu gehören Ziegelbaustoffe, Beton, Porenbeton, Kalksandsteine, Lehmausfachungen, Gipsbaustoffe, um nur die Wichtigsten zu nennen. Bei diesen Baustoffen erfolgt Wärmeleitung überwiegend durch die Weitergabe der Bewegungsenergie der schwingenden Teilchen durch elastische Stöße. Interne Strahlungsprozesse spielen kaum eine Rolle. Sehr wesentlich wird die Wärmeleitzahl durch den Feuchtigkeitsgehalt bestimmt. Die Tabellenwerte der Wärmeleitzahl (λ) gehen von einer mittleren Stofffeuchte aus, die bei
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Quelle: Messungen von Cammerer, zitiert in Eichler, bauphysikalische Entwurfslehre. Neuerdings durch Untersuchungen des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik bestätigt.
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Gemeint ist hier die fourier´sche Wärmeleitungsgleichung in ihrer in der EnEV abgebildeten Form, die in einer unzulässigen Weise von der Eindimensionalität der Energieverlagerung und davon ausgeht, dass die Wärmekapazität eliminiert wird. Die fourier´sche Gleichung wurde daher gefälscht.
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Neubauten gemessen worden ist. Sie können als brauchbare Anhaltswerte verwendet werden, sind jedoch im Einzelfall zu verbessern. Beachtliche Verbesserungen – also Verringerungen der Wärmeleitzahl – treten ein, wenn z.B. durch Wandheizungstechniken der Baustoff seine Haushaltsfeuchte verliert und restlos austrocknet. Je nach Baustoff und Ausgangsfeuchte kommt es bis zur Viertelung der Wärmeleitzahl. Von sehr großer Bedeutung für die Wärmeleitzahl ist die Stofffeuchtigkeit in Ziegelwänden im Altbaubestand mit Stärken von über 40 cm. Dämmstoffe
Dämmstoffe sind Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit. Die dämmende Wirkung beruht jedoch nicht – wie vielfach geglaubt wird – in den Eigenschaften des Materials, sondern im Gefüge, in welches das Material gebracht worden ist80. Sowohl die Kunststoffe, aus denen Dämmstoffe hergestellt werden, z.B. Polystyrol, wie auch die mineralischen Stoffe Glas und Gestein, aus denen faserige Dämmstoffe hergestellt werden, sind – für sich gesehen – gute Wärmeleiter. In kompakter Form wären sie daher als Dämmstoff ungeeignet. Dämmstoffe simulieren stehende Luftschichten, die, falls sie nicht strömen, die geringste Wärmeleitfähigkeit haben. Geringer wärmeleitend wäre nur noch das Vakuum, in welchem gar keine Wärmeleitung mehr möglich ist. Das Gefüge aller Dämmstoffe ist dadurch gekennzeichnet, das geringe Materialmengen ein großes Luftvolumen einschließen. Um die dämmende Wirkung von Dämmstoffen zu verstehen, genügt es, sich mit der Dämmwirkung stehender Luftschichten zu befassen, die nichts anderes ist als eine Verminderung des Energieübergangs von dichten in weniger dichte Stoffe. Eine energiehaltige Wand besteht nach der kinetischen Wärmetheorie aus einer Ansammlung schwingender Teilchen. Gerät ein derartiges Teilchen in Kontakt mit einem gasförmigen Teilchen, überträgt es durch einen elastischen Stoß seine Bewegungsenergie an das Gasteilchen. Je häufiger dies geschieht, umso intensiver ist der Energieübergang. Da Luft im Verhältnis zu festen Körpern teilchenarm ist, geschieht die Kontaktnahme zwischen den Teilchen des festen Stoffs mit den Gasteilchen selten. Hierbei wird auch verständlich, warum stehende Luft besser dämmt als bewegte Luft, bei welcher – in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit – mehr Zusammenstösse stattfinden. Zur Veranschaulichung: Wenn Sie mit Ihrem Auto schnell durch Regen hindurchfahren, sehen Sie, dass die Regentropfen sehr häufig gegen die Windschutzscheibe treffen. Bringen Sie das Auto zum Stillstand, verringert sich die Häufigkeit der Tropfenkollision. Ein weiteres kommt hinzu: Steht die Luft, wird sie sich allmählich erwärmen. Das Temperaturgefälle zwischen festem Stoff und Luft wird somit geringer. Auch dies führt zur Verminderung der Wärmeenergieübertragung. Strömende Luft hingegen ist nicht vorgewärmt, das Temperaturgefälle ist somit größer und 80
Der beste Wärmeleiter Gold wäre in schaumigem Zustand ein guter Dämmstoff.
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der Wärmeübergang ist verstärkt. Stehende Luftschichten können leider nicht beliebig dick gemacht werden. Die Praxis hat gezeigt, dass Luftschichtdicken, die stärker als 50 mm sind, zu zirkulieren beginnen. Ihre dämmende Wirkung nimmt daher ab. Daher werden in den Normen Luftschichten, die zur „Hinterlüftung“ eingesetzt werden, nicht als dämmend angesehen. Da Luftschichten bis 30 – 50 mm Stärke jedoch eine sehr gute Dämmwirkung haben, genügen diese in aller Regel zur Erreichung des sog. „Mindestwärmeschutzes“, der dann gegeben ist, wenn Tauwasserbildung auf der Wandinnenoberfläche ausgeschlossen ist. Voraussetzung ist lediglich, dass diese Luftschichten stehend und von der Umgebungsluft getrennt sind. Besteht das Ziel im „Mindestwärmeschutz“, benötigt man daher keine Dämmstoffe. Die Fehlentwicklung81 hin zu dickeren Dämmschichten, wobei hier die Maximalforderung bis zu 45 cm Materialstärke reicht 82, hat die Entwicklung von Dämmstoffen begünstigt, die strukturbedingt jede beliebige Luftschichtdicke simulieren können. Damit erreicht man in etwa die Wirkung stehender Luft, allerdings vermindert um die erhöhte Wärmeleitung innerhalb der Dämmstoffmaterialien. Was kann ein Dämmstoff eigentlich leisten?
Der werbenden Dämmstoffindustrie ist es gelungen, dem Verbraucher, aber auch den Architekten einzureden, dass Dämmstoffe am Gebäude den Energieverbrauch einschränken könnten, sie also den Energiedurchgang nahezu vollständig verhindern könnten. Dieser Irrglaube hat sich so in den Hirnen festgesetzt, dass sogar durch Bauvorschriften Bauherren gezwungen werden, extrem verdickte Dämmstoffe zu verbauen. Inzwischen ist rein sprachlich der Begriff „Dämmung“ sogar zum Synonym für den Begriff „Energieeinsparung“ geworden Es lohnt also, sich mit der tatsächlichen Wirkungsweise von Dämmstoffen zu beschäftigen. Der Begriff „Dämmstoff“ ist sehr gut gewählt, steckt in ihm nämlich das Wort „Damm“. Wählt man die Analogie „Staudamm“, kann man sich recht gut die Wirkungsweise von Dämmstoffen veranschaulichen. In diesem Zusammenhang hilft uns auch der sonst physikalisch falsche Ausdruck „Wärmestrom“ weiter. Wenn wir in einem strömenden Gewässer einen Damm errichten, führt dies zum Aufstau des Wassers. Für den Begriff „Wasser“ müssen wir uns jetzt nur noch den Begriff „Energie“ denken. Hierbei steigt der Wasserspiegel, womit die Energie der Lage zunimmt. Dieser Zustand bleibt sodann erhalten. Erreicht das Wasser die Dammkrone, fließt es über diese hinweg. Ein flussabwärts stehender Beobachter würde hierbei feststellen, dass zeitweise der Fluss versiegt ist, nämlich während der Aufstauzeit, danach aber genau soviel Wasser abfließt wie 81 82
Diese Fehlentwicklung wird a.a.O. noch ausführlich behandelt werden.
Z.B. Prof. Karl Gertis, Fraunhoferinstitut Holzkirchen
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zuvor. Übertragen wir diese Analogie auf den Bau: Wir bringen also auf der Außenseite der Wand einen Dämmstoff an. Die Fließart des Wärmestroms verändert sich hierdurch. Das Temperaturgefälle bleibt jedoch erhalten, damit auch die Gesetzmäßigkeit, wonach Wärmeenergie sich zum Bereich des niedrigeren Energiezustandes hinbewegt. Allerdings bildet sich in der gedämmten Wand ein Energiestau aus, der dadurch erkennbar wird, dass sich die Temperatur der gedämmten Wand erhöht. Diese Temperaturerhöhung der gedämmten Wand ist ein guter Erfolg, weil hierdurch die Bildung von Tauwasser verhindert wird. Die Dämmung von Bauteilen zur Verhinderung von Tauwasserbildung war der ursprüngliche Gegenstand DIN 4108. Dies war sinnvoll, vernünftig und ist auch heute eine richtige Anwendung von Dämmstoffen. Der Zweck von außen angebrachten Dämmstoffen besteht also darin, im Bauteil eine Temperaturerhöhung herbeizuführen, die der Bildung von Tauwasser entgegenwirkt. Einen anderen Sinn haben Dämmstoffe nicht. Zur Ehrenrettung im Hinblick auf Energieeinsparung: Durch die Erhöhung der Wandtemperatur verringert sich bei Konvektionsheizungen das Temperaturgefälle zwischen Innenraumluft und Innenwandoberfläche, sodass hierdurch ein kleiner Energiespareffekt eintritt. Betrachten wir aber nun den weiteren Vorgang der Wärmeleitung im Dämmstoff: Wir haben gesehen, dass das Temperaturniveau in der gedämmten Wand gestiegen ist. Würde man nun zwei Wandquerschnitte aufzeichnen und durch eine Linie den Temperaturverlauf darstellen, würde sich zeigen, dass im baupraktischen Bereich in der ungedämmten Wand eine gerade Linie 83 von der Innenraumtemperatur mit 20 °C bis zur Außenwandoberfläche mit etwa + 3 °C gezeichnet werden müsste. Bei der gedämmten Wand würde diese Linie flacher verlaufen, weil dort die Oberflächentemperatur der gedämmten Wand je nach Dämmstärke mehr oder weniger höher liegt. Messungen im Winter zeigen aber, dass die Oberflächentemperatur auf der außen liegenden Dämmschicht sich von der der ungedämmten Wand nicht unterscheidet. 84 Dies zeigt, dass innerhalb des Dämmstoffs ein sehr großes Temperaturgefälle herrscht. Wir haben nun also – soweit wir noch „dämmophil“ sein sollten - ein äußerst unangenehmes Problem am Hals: Wollen wir das Temperaturgefälle, das ja der Motor des Wärmeleitungsgeschehens ist, verkleinern, müssen wir die Dämmstärke verkleinern, weil hierdurch das Temperaturniveau in der Wand sinkt und somit 83
Eine gerade Linie stellt den Temperaturverlauf innerhalb einer Wandkonstruktion allerdings nur ungenau dar. Im Bereich der Tauzone findet nämlich eine erhöhte Wärmeleitung statt, sodass dort die Linie steiler abfällt.
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Dieses Phänomen wird a.a.O noch erörtert werden.
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auch die Oberflächentemperatur der gedämmten Wand. Verstärken wir hingegen die Dämmstärke, erhöht sich in gewissen Grenzen 85 das Temperaturniveau der gedämmten Wand, allerdings erhöht sich damit auch das Temperaturgefälle im Dämmstoff. Das Ausmaß des „Wärmestroms“ – in Wirklichkeit fließt natürlich nichts Stoffliches – steht in einem unmittelbaren, linearen Zusammenhang mit dem Temperaturgefälle. Eine Verdoppelung des Temperaturgefälles führt – vereinfachend betrachtet – zu einer Verdoppelung des Durchgangs an Wärmeenergie. Wir müssen also – ganz gegen unsere jahrelang entwickelten Gewohnheiten – erkennen, dass eine Verstärkung von Dämmschichten zu keiner Verringerung des Energiedurchgangs führen kann sondern nur zu einer Veränderung des zeitlichen Ablaufs. Wir haben bereits im Winter durch Messungen festgestellt, dass die Oberflächentemperaturen von gedämmten und ungedämmten Fassaden völlig gleich sind. 86 Da die Dämmstoffindustrie und ihre willfährigen professoralen Helfer behaupten, dass Dämmstoffe den Energiedurchgang signifikant behindern, müsste – falls dies stimmen sollte – allerdings die gedämmte Oberfläche erheblich kälter sein. Sie ist es aber nicht. Allein diese Beobachtung sollte uns skeptisch stimmen. Nun machen wir aber ein Gedankenexperiment, dem bei gedämmten und ungedämmten Fassaden gleiche Oberflächentemperaturen zugrunde liegen. Wir lassen also zunächst einmal in Gedanken die Dämmstärke beliebig anwachsen und vergessen hierbei auch die Hyperbeltragik . Die Folge ist – wie wir schon gesehen haben – ein Ansteigen des Temperaturgefälles im Dämmstoff, dessen unterer Punkt die Oberflächentemperatur außen ist. Wir sehen also, dass trotz steigender Dämmwirkung – sichtbar am großen Temperaturgefälle – die Wärmeenergie ungehindert durch den Dämmstoff hindurch marschiert. Nun vermindern wir die Dämmstärken. Das Ergebnis ist immer das Gleiche. Der hindurchgehende Energiebetrag bleibt gleich, weil sich geringer werdender Dämmeffekt und sinkendes Temperaturgefälle stets die Waage halten 87. Der letzte Schritt besteht darin, den Dämmstoff die Dimension Null annehmen zu lassen. Und auch hier ist keine messbare Veränderung des Wärmedurchgangs feststellbar. Möglicherweise bildet sich aber jetzt auf der Wandinnenseite Schimmel, ein Zeichen für Tauwasserbildung. Also bringen wir wieder flugs Dämmstoff an, denn an der Erhöhung der Stofftemperatur sind wir natürlich 85
Hier spielt die sog. „Hyperbeltragik“ eine ungute Rolle, die dari n besteht, dass der Dämmeffekt mit zunehmender Dämmstärke hyperbolisch abnimmt und sich in der Praxis gezeigt hat, dass bei einer Dämmstärke von 80 mm das Optimum erreicht ist und darüber hinaus keine signifikanten Erhöhungen der Dämmfähigkeit mehr eintreten.
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Dass gedämmte Oberflächen sogar entschieden kälter als die Umgebungsluft werden können, wird noch a.a.O. behandelt werden.
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Dies ergibt sich aus der linearen Struktur der Fourier´schen Wärmeleitungsgleichung.
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interessiert. Dämmstoffe sind zur Verringerung des Energiedurchgangs durch Außenwände ungeeignet, soweit sie das Maß überschreiten, das zur Tauwasservermeidung erforderlich ist. Wer mir bis hierhin gefolgt ist und es verkraftet hat, dass ich an der bauphysikalischen Weltordnung gerüttelt habe, kann sich selbst letzte Gewissheit hierüber mit einer Berechnung nach den Regeln der DIN 4108 verschaffen, wobei er hierbei die Grenzschichttemperaturen zwischen Wand und Dämmstoff berechnen muss. Die Formeln hierfür stehen alle im „Wendehorst“88. Hierbei wird er dann zu dem hier geschilderten Ergebnis kommen. Das Temperaturgefälle, ausgedrückt in (Δ K) geht bei diesen Berechnungen nämlich als Faktor in die Berechnung ein. Zwischen Temperaturgefälle und Energiedurchgang besteht ein linearer – also unmittelbarer – Zusammenhang. Zum besseren Verständnis eine weitere aus dem Alltag bekannte Analogie: Jeder kennt das Phänomen des Staus auf Autobahnen. Was nehmen wir hier wahr? Nach bisher flotter Fahrt merken wir am Geblinke von Warnlichtern vorausgefahrener Autos: Ein Stau! Wir treten also auf die Bremse. Von da ab geht es im Kriechgang weiter. Je dichter der Verkehr bisher war, umso größer ist der Stau. Nach den Verkehrslageberichten oft über 40 km. Irgendwann kommen wir dann zu der Stelle, die den Stau ausgelöst hat. Meistens ist das eine Baustelle, bei der nur noch eine Fahrspur freigegeben ist. Kaum sind wir da vorbei, geht es schneller als zuvor weiter, weil nämlich der Verkehr vor uns eine ganze Zeit lang sehr dünn ist. Wir können daher einen großen Teil des eingetretenen Zeitverlustes wieder wettmachen. Betrachten wird dieses Ereignis für alle betroffenen Autofahrer, stellen wir fest, dass jeder letztlich sein Ziel erreichen wird. Nicht einer ist übrig geblieben. Bei einigen ist das Abendessen inzwischen kalt geworden. Nun können wir die Menge der Autofahrer mit der Energiemenge gleichsetzen, die wegen eines Temperaturgefälles sich verlagert. Die Engstelle auf der Autobahn setzen wir mit einer Dämmschicht gleich. Die Analogie stimmt bis ins Detail. Die Anhäufung der Autos vor dem Stau entspricht dem erhöhten Energieniveau hinter einem Dämmstoff. Das wichtigste, was uns nun klar wird: Am Ende ist die Summe der durchgefahrenen Autos genau so hoch, als hätte es die Engstelle gar nicht gegeben. Übertragen: Ob mit oder ohne Dämmstoff – letztlich ist die durchgegangene Energiemenge gleich. Nur die Art und Weise, wie sie sich verlagert hat, der zeitliche Ablauf, war unterschiedlich. Mit dieser Analogie im Hinterkopf werden wir das weitere besser verstehen. In den Hirnen der Verbraucher – auch der Architekten – hat sich festgesetzt, dass Dämmung mit Energieeinsparung faktisch gleichgesetzt werden kann. In 88
Standardtabellensammlung für Architekten und Bauingenieure.
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Wirklichkeit handelt es sich aber um zwei völlig verschiedene Dinge. Ich halte es für eine grandiose Meisterleistung der Werbefachleute, dass es ihnen gelungen ist, für den einfachen Begriff „Dämmung“ einen völligen Bedeutungswandel hin zum Begriff „Energieeinsparung“ herbeigeführt zu haben. Bauphysikalische Vorgänge in und an Dämmstoffen
Dämmstoffe sind ein sehr problematisches Material. Wir wollen nun den außen angebrachten Dämmstoff betrachten und sehen was da so alles geschieht. Zunächst jedoch untersuchen wir die strukturellen Eigenschaften der Dämmstoffe, da diese sehr bedeutsam sowohl im Guten als auch im Bösen sind. Gemeinsam ist allen Dämmstoffen die geringe auf das Volumen bezogene Masse. Daher sind sie zur Speicherung absorbierter Energie nennenswert nicht fähig. Allerdings können sie sich an der Oberfläche bei einstrahlender Sonnenenergie erstaunlich schnell aufheizen, ebenfalls eine Folge der geringen Masse. Von Bedeutung ist weiterhin das schlechte kapillare Leitvermögen für in den Dämmstoff eingedrungenes oder dort gebildetes tropfbares Wasser. Besonders schlecht ist dies bei Polystyrolschäumen, die deshalb auch in WC-Spülkästen als Material für die Schwimmer verwendet werden. Nicht viel besser verhält es sich bei faserigen Dämmstoffen in Mattenform, die zwar kapillar leitfähig sind, leider aber nur parallel zur Wand, was auf die Ausrichtung der Fasern zurückzuführen ist. Das Absaufen von Dämmstoffen im Winter
Wir haben bereits gesehen, dass die Wirkung von Dämmstoffen dazu führt, dass Tauwasserbildung auf der Wandinnenseite verhindert wird. Dies allerdings geht damit einher, dass die Tauzone, also der Bereich, in welchem Wasserdampf tropfbar wird, sich nun im Dämmstoff selbst befindet. Es ist daher stets davon auszugehen, dass bei diffusionsoffenen Konstruktionen, die die Regel sind, sich im Dämmstoff tropfbares Wasser bildet, es also dort zur Durchfeuchtung kommt. Es ist für die Funktionstüchtigkeit des Dämmstoffs ganz entscheidend, dass dieses Wasser einen Weg ins Freie findet und dort schneller abtrocknet als Tauwasser nachgeführt werden kann. Tropfbares Wasser kann aber nur kapillar bewegt werden, sodass die schlechte kapillare Leitfähigkeit der Dämmstoffe sich als großer Nachteil herausstellt. Bei dünnen Dämmschichten reicht sie gerade noch aus, um bleibende Schäden zu vermeiden.89 Bei Schichtdicken, wie sie neuerdings nach EnEV und deren Propagandisten empfohlen werden, findet das Tauwasser keinen Weg mehr nach außen, es verbleibt daher im Dämmstoff und löst nun eine verhängnisvolle Entwicklung aus. In der Folge reichert sich nämlich das Tauwasser an, weil der Taupunkt stetig nach innen wandert. Letztlich kommt es zum „Absaufen“ des 89
Entscheidender dürfte hierbei sein, dass dünne Dämmschichten bei Sonneneinstrahlung vollständig durchwärmt werden, sodass Tauwasser sich in Dampf umwandelt und in diesem Aggregatzustand ausdiffundieren kann.
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Dämmstoffes. Meistens ist hierbei die vordere Dämmschicht noch trocken, sodass der Bauschaden erst dann bemerkt wird, wenn er sich durch Durchnässung des Mauerwerks, verbunden mit Schimmelbildung bemerkbar macht. Dass die dämmende Wirkung des Dämmstoffes hierbei sich in ihr Gegenteil verkehrt, weil er – nass wie er nun ist – auch noch ein sehr guter Wärmeleiter geworden ist, sei nur am Rande vermerkt. Die Folge ist unausweichlich: Das Gebäude muss eingerüstet werden, die gesamte Dämmschicht mit allem was darauf klebt muss entfernt werden, das Mauerwerk braucht zur Trocknung Monate, und danach stellt sich die Frage „was nun?“ Sollte das vom Dämmstoff befreite Mauerwerk ausreichend dick sein, z.B. aus 36,5 cm starkem Ziegelmauerwerk bestehen, genügen zu Sanierung ein normaler Verputz und der Schwur „nie, nie wieder Dämmstoff an die Fassade kleben!“. Sollte das Mauerwerk aber so konstruiert sein, dass es ohne Dämmstoff gar nicht auskommt, ist guter Rat im wortwörtlichen Sinne teuer. Eine der besten Lösungen dieses Problems besteht darin, eine 40 mm dicke Schaumglasschicht anzukleben und diese sodann mit einer vorgehängten Fassadenkonstruktion zu verhüllen. Schaumglas ist nämlich ein Dämmstoff aus geschlossenen Glasblasen, der vollkommen dampfdicht ist, und sich daher nicht mit Tauwasser anreichern kann. Es ist es ein hervorragendes Material – leider aber auch kostspielig.90 Das „Absaufen“ von Dämmungen ist ein wohlbekannter und häufiger Bauschaden. Halbwegs aufmerksamen Baumenschen ist er zumindest aus der Fachliteratur hinlänglich bekannt. Da es nicht nur die „anerkannten Regeln der Baukunst“ gibt, sondern auch „anerkannte Fehler der Baukunst“, kann sich ein Planer nicht auf Nichtwissen oder gar auf Normen und Empfehlungen der Dämmstoffindustrie herausreden. Er ist in vollem Umfang schadensersatzpflichtig und wir können nur hoffen, dass er ausreichend berufshaftpflichtversichert ist. Das Absaufen von Dämmstoffen im Sommer
In der einschlägigen Fachliteratur wurde dieser Vorgang bis heute nicht behandelt. Ich vermute, dass das sommerliche Absaufen von Dämmstoffen sogar immer am Anfang der Schadensentwicklung steht. Was geschieht da also unvermeidbar? Im Sommer haben wir hohe Lufttemperaturen und relative Luftfeuchtigkeiten von 90% und mehr. Geringe Absenkungen der Lufttemperatur führen daher sehr schnell zur Wasserdampfsättigung. Wasserdampf verwandelt sich in tropfbares Wasser. An einem feuchtschwülen heißen Sommertag diffundiert also Wasserdampf ungehindert in die Dämmschicht ein. In der Dämmschicht befindet sich allerdings ein Temperaturgefälle von außen nach innen. In den tieferen Schichten des Dämmstoffs ist es also kälter. Spätestens an der Grenzschicht zwischen Dämmstoff und Mauerwerk kommt es zum Ausfall von Tauwasser, das sich 90
Eine weitere sehr gute Möglichkeit ist der Bau einer TERMOSFASSADE, einer Erfindung des Verfassers.
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dort anreichert und sodann sowohl das Mauerwerk kapillar durchdringt als auch sich im Dämmstoff selbst anreichert. Dass das ganz erhebliche Wassermengen sind, können Sie am gleichen feuchtschwülen Sommertag an der aus dem Kühlschrank geholten Bierflasche erkennen, die sich in Sekundenschnelle mit einer Wasserschicht überzieht. Die geringe kapillare Leitfähigkeit der Dämmstoffe hindert das Wasser daran, nach außen zu wandern. Es verbleibt im Dämmstoff. Bemerkbar wird dieser Schaden dann, wenn die Innnenwandoberflächen verschimmeln. Öffnet man sodann den Dämmstoff, besteht das typische Schadensbild darin, dass in der Tiefe des Dämmstoffs klatschnasse Feuchtigkeit vorgefunden wird, während die oberen Dämmstoffschichten noch trocken sind. Während ich diesen Text schreibe, bearbeite ich einen derartigen Bauschaden als Gutachter. Die hierauf von mir angeschriebene Bauunternehmung reagierte inzwischen mit dem Einwand, dass das nicht sein könne, weil die Beschichtung des Dämmstoffs doch wasserdicht sei. Völlige Ahnungslosigkeit also über die bauphysikalischen Prozesse. Die Schadensbeseitigung dürfte in diesem Fall etwa € 15.000,-- kosten. Das Dumme ist nur, dass die bedauernswerte Bauunternehmung etwa einhundert gleiche Gebäude in der gleichen Siedlung gebaut hat. Die Pleite ist somit vorprogrammiert. Tauwasser
Wasserdampf ist ein Gas und unsichtbar. Das, was wir in einer Waschküche sehen, sind winzige Wassertröpfchen, aber kein Wasserdampf. Wasserdampf ist stets Bestandteil der Luft. Das Wassergas, Dampf genannt, besteht somit aus frei schwebenden einzelnen Wassermolekülen der Formel 2H 2O. Wassermoleküle kommen immer nur paarweise vor. Dampf ist dann vorhanden, wenn die Schwingungen der Teilchen so energiehaltig sind, dass sie die Adhäsionskräfte der Wasserteilchen überwinden. Diese Adhäsionskräfte sind eine Folge dessen, dass Wassermoleküle Dipole sind, also prinzipiell sich wie Magnete mit einem positiven und einem negativen Pol verhalten. Überwiegen die Adhäsionskräfte, verbinden sich die einzelnen Moleküle zu einer Flüssigkeit. Verliert diese Flüssigkeit weiter Energie, verfestigt sie sich sogar und wird zu Eis. Bei Energiezufuhr beginnen die adhäsiv zur Flüssigkeit verbundenen Teilchen so heftig zu schwingen, dass der Zusammenhalt überwunden wird, die Moleküle lösen sich aus dem Verband und werden zu Dampf. Die Teilchen schwingen auch als Dampf weiter. Im baupraktischen Bereich beträgt die Schwingungsgeschwindigkeit etwa 2000 bis 3000 m/s und liegt somit erheblich über der Schallgeschwindigkeit. Daher wird auch verständlich, dass die winzig kleinen Teilchen mühelos in die üblichen Baustoffe eindringen, die aus der Sichtweise der Teilchen ja mit riesigen Hohlräumen durchsetzt sind. Geraten die Dampfteilchen in einen Bereich, der kalt ist, übertragen sie ihre Energie in die kalten Stoffe, werden dadurch selbst energieärmer und ab einer gewissen Energiearmut überwiegen sodann wieder die Adhäsionskräfte der Teilchen untereinander. Es bildet sich wieder flüssiges Wasser, dem man die Bezeichnung „Tauwasser“ verliehen hat. Der morgendliche Tau auf unseren Wiesen entsteht auf die genau gleiche Art, da auch hier Wasserdampf auf die während der Nacht ausgekühlten Pflanzen trifft. Der wissenschaftliche Begriff
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ist „Kondenswasser“ oder ganz einfach „Kondensat“. Von bauphysikalischem Interesse ist weiterhin, dass bei der Bildung von Tauwasser diejenige Energie wieder freigesetzt wird, die einst zur Verdampfung des Wassers geführt hat. Diese Energie nennt man „ Kondensationswärme “. Hierbei handelt es sich um beachtliche Energiemengen. Man sollte hierbei auch wissen, dass dieser Energieumsatz nicht mit Temperaturänderungen verbunden ist sondern ausschließlich die Energie verkörpert, die zur Änderung des Aggregatzustandes aufgewendet ist.91 Daher ist die Kondensationswärme von Wasser eine konstante Größe, nämlich 2.558 kJ/kg Wasser. 92 Nützliche Wirkungen der Kondensation
Die bei der Kondensation frei werdende Kondensationswärme kann vielfältig genutzt werden. Bekannt ist die Brennwerttechnik , bei der durch Kondensation von Abgasen aus Öl- und Gasfeuerungsanlagen ein großer Anteil der dort enthaltenen Wärmeenergie zurückgewonnen und dem Heizsystem zugeführt werden kann. Ich selbst habe eine Fassadenkonstruktion entwickelt, die inzwischen patentiert ist, bei der durch die diffusionsoffene Wand Wasserdampf dringt, sich an kalten Flächen niederschlägt und dort kondensiert. Hierbei bleibt die frei werdende Kondensationswärme dem Bauwerk erhalten. Erste Messergebnisse zeigen, dass auch dort beachtliche Energiemengen zurückgewonnen werden können. Eine weitere Anwendung ist bei Klimaanlagen üblich, wo über Wärmetauscher die in der Fortluft enthaltene Energie ebenfalls durch Kondensationseffekte zurückgewonnen wird. Letztlich wird durch Kondensation auch Lufttrocknung möglich. Hierbei wird warmfeuchte Luft über kalte Flächen geleitet, wodurch der anteilige Wasserdampf kondensiert und somit der Luft Wasser entzogen wird. Regelmäßig dient ein derartiges Verfahren der Stabilisierung der relativen Luftfeuchte z.B. in Schwimmbädern. Auch dieser Effekt wird bei der eben erwähnten Fassadenkonstruktion genutzt. 93 Schädliche Wirkungen der Kondensation
Tauwasserbildung in Bauteilen ist eine der häufigsten Schadensursachen bei Bauwerken. Sie führt nämlich zur Durchnässung mit allen nachteiligen Folgen wie
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Korrosion, Verrottung, insbesondere bei Holz und Gips, Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit, somit erhöhte Energieverluste,
Eine praktische Anwendung dieses Effektes finden wir in der Brennwerttechnik, die in der Rückgewinnung von Kondensationswärme aus den kondensierenden Abgasen der Heizanlage besteht. Dieser Wert gilt bei normalem Luftdruck. Der gleiche Effekt verursacht bei Konvektionsheizungen ein Absinken der r.L. auf bis zu 25%, also zu einem gesundheitsgefährdenden Zustand der Raumluft.
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Auflösung von wasserlöslichen Stoffen, z.B. Klebemittel, Schimmelbildung mit großen gesundheitlichen Gefahren, Bei Behinderung der Abtrocknungsvorgänge Blasenbildung Abplatzungen, z.B. bei Flachdächern, bei Anstrichen auf Fassaden Fenstern etc., Frostabsprengungen bei durchnässten Konstruktionen, Durchnässung von Fassadenoberflächen mit anschließender AlgenMoosbildung, Durchnässung von Dämmschichten mit Verlust der Dämmwirkung Durchnässung des gedämmten Mauerwerks.
und und und und
Dieser Katalog kann endlos fortgesetzt werden. Bausachverständige leben überwiegend von Tauwasserschäden. Ein verantwortungsvoll planender Architekt muss bei seinen Konstruktionen – eigentlich in einem besonderen Arbeitsgang – die Problematik der Tauwasserbildung überprüfen. Setzt er sich leichtfertig darüber hinweg, gerät er unvermeidbar in die persönliche Haftung, die er auf niemanden abwälzen kann. Dies kann er nur durch sorgfältige Planung vermeiden. Notfalls und beim Fehlen der bauphysikalischen Kenntnisse muss er den Rat von Fachleuten einholen. Ich empfehle hier auch den kollegialen fachlichen Austausch nach dem Motto „Vier A ugen sehen mehr als zwei.“ Weil es sich hier um einen der problematischsten Sachverhalte handelt, sollen diese hier etwas genauer beleuchtet werden. Tauwasser und Massivwände
Betrachten wir eine massive Außenwand, die heutzutage als 36,5 cm dicke Ziegelwand zu denken ist, innen verputzt, gestrichen oder tapeziert, außen als Sichtmauerwerk oder verputzt und gestrichen, haben wir es mit einer recht ordentlichen Konstruktion zu tun, von der wir empirisch wissen, dass es an ihr keine nennenswerten Tauwasserschäden gibt. Was geschieht in dieser Wand, wenn Wasserdampf eindringt? Wir haben bereits gesehen, dass die mit großer Geschwindigkeit schwingenden Wassermoleküle mühelos in die Wand eindringen. Irgendwo im Wandquerschnitt erreicht jedoch der Wasserdampf eine vollkommene Sättigung, die relative Luftfeuchte in der Wand beträgt dann 100 %. Diese Zone ist dann erreicht, wenn der Wandquerschnitt entsprechend abgekühlt ist. Baupraktisch ist dies das vordere Drittel der Wand. Aus dem Wasserdampf ist nun flüssiges Wasser geworden. Der Weg nach außen ist noch etwa 12 cm lang. Ist die Tauwasserbildung sehr massiv, was im Wesentlichen von der Wasserdampfmenge abhängt, also von den Feuchtigkeitszuständen innerhalb des Raumes, bildet das Tauwasser eine Dampfbremse. Denn geschlossene Wasserschichten sind eine perfekte Dampfsperre. Hat das durchfeuchtete Mauerwerk eine ausreichende kapillare Leitfähigkeit, ist alles bestens geregelt. Bei Ziegelmauerwerk ist das immer der Fall. Das Wasser wandert kapillar nach allen Seiten weg, auf dem Weg nach innen verwandelt es sich wieder in Dampf, auf dem Weg nach außen gerät es an die Mauerwerksoberfläche, wo es nach alter Sitte vom Wind abgetrocknet wird und dadurch nachrückendem Wasser Platz schafft. Wichtig ist nur noch, dass dem Wasser auf diesem Weg keinerlei Hindernisse
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entgegenstehen. Und da wird oft gesündigt. Eine der häufigsten Verfehlungen sind Anstriche, die eine Haut bilden, z.B. Fassadenanstriche aus Dispersionsfarben. Die Farbenindustrie versichert zwar, dass sie ausreichend diffusionsoffen seien. Die hierbei veröffentlichten Werte des Diffusionswiderstandes sind jedoch Laborwerte und haben mit den tatsächlichen Verhältnissen am Bau wenig zu tun. Der Diffusionswiderstand ändert sich nämlich mit der Temperatur gewaltig. Bei abnehmender Temperatur steigt der Diffusionswiderstand über die Laborwerte hinaus an. Bei bestimmten Wetterlagen kann die Wandoberfläche erheblich unter die Temperatur der Außenluft auskühlen, eine Folge von Abstrahlungsvorgängen. Hierbei kann ein Bereich unmittelbar hinter der Wandfarbe sogar vereisen. Das eingeschlossene Tauwasser hat keine Möglichkeit mehr, nach außen zu gelangen. Es verbleibt somit in der Wand und reichert sich dort im Verlaufe des Winters an. Irgendwann im Frühling erwärmt die Sonne die durchnässte Wand. Geschieht dies sehr plötzlich, wird das Wasser in der Außenzone dampfförmig, in den weiter hinten gelegenen Schichten bleibt es flüssig 94. Wir haben nun den unheilvollen Zustand einer eingeschlossenen Dampfschicht, die einen entsprechend hohen Dampfdruck aufbaut. Diesem Druck ist jedoch die Dispersionsfarbenhaut nicht gewachsen, sodass sich an der Außenfläche, vor allem an Südseiten, regelrechte Blasen bilden. Das Ergebnis ist eine großflächig zerstörte Anstrichfläche. Der mir einzig bekannte Weg, diese Schadensentwicklung zu vermeiden, besteht darin, Fassadenputze mit Mineralfarben zu streichen oder sie durchzufärben, da diese Farben keine Häute ausbilden und dampfdurchlässig bleiben. Noch besser ist es, die Außenfläche als unverputztes Sichtmauerwerk zu gestalten. Das ist einer der Gründe, warum ich selbst bei meinen Bauwerken fast immer Sichtmauerwerk verwende. Tauwasser auf Außenwänden mit dünnen Dämmschichten
Dünne Massivwände, z.B. einschalige Ausfachungen von Fachwerkbauten kühlen so stark aus, dass sich bei ihnen auf der Innenfläche Tauwasser niederschlägt. Soweit denkmalpflegerische Belange nicht entgegenstehen 95, kann eine derartige Wand durch eine außen aufgebrachte Dämmschicht verbessert werden. Die bereits früher erklärte Staudammwirkung führt zu einer Erhöhung der Wandtemperatur und damit zur Vermeidung der Tauwasserbildung. Dieser Erfolg wird bereits bei dünnen Dämmschichten erreicht, die niemals dicker als 40 mm sein müssen. Recht gut hierfür geeignet ist die gute alte Heraklith-Platte, die auch 50 mm dick sein darf, deren Grundmaterial Holzspäne sind, die mit einer Zementmasse untereinander verbunden sind. Sie ist ein sehr guter Putzträger und verbindet sich mit der 94
Die im Frühling stattfindende spontane Erwärmung der Maueroberfläche erreicht in dieser Phase noch nicht die tiefer gelegenen Schichten.
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Bei sichtbar belassenem Fachwerk scheidet diese Technik aus. Lösungsmöglichkeiten hierfür werden unter dem Kapitel „Hypokaustentechnik“ behandelt .
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Fachwerkwand organisch. Ihre kapillare Leitfähigkeit ist gut, der hohe Holzanteil ermöglicht die Abspeicherung von eingestrahlter Sonnenenergie. Zur Vermeidung von Hohlräumen innerhalb der Wand sollte sie vollflächig angemörtelt sein, eine zusätzliche mechanische Verankerung ist unverzichtbar. Dieser Konstruktion vermeidet sicher Tauwasserbildung. Dicke Dämmschichten auf Außenwänden
Ein fehlerhaftes bauphysikalisches Modell 96, nunmehr in der EnEV festgeschrieben, geht davon aus, dass der sog. „Transmissionswärmeverlust“ durch möglichst dicke Dämmschichten soweit zu reduzieren sei, dass durch eine Außenwand rechnerisch der Wärmeenergiedurchgang nur noch so gering ist, dass er nahezu vollständig unterbunden ist und dass es nur noch darum ginge, das Gebäude auch luftdicht herzustellen, damit Lüftungswärmeverluste unmöglich würden. Auf dem Papier ist so das „Nullenergiehaus“ konzipiert worden.97 Unter anderem werden bei derartigen Konstruktionen exzessiv Dämmschichten – meistens aus Polystyrol – eingesetzt, mit Schichtdicken von 20 cm und mehr. Die Dämmstoffindustrie und die Unternehmungen, die die sog. Wärmedämmverbundsysteme (WDVS) vertreiben, rechnen ihren Auftraggebern vor, dass nunmehr der Energieverbrauch dramatisch sinken würde. Bis heute warte ich allerdings auf zuverlässige Forschungsergebnisse, die diese Prognosen bestätigen. Der Bundesfachverband für WDVS verfügt über keine Messergebnisse, die belegen, dass eine nennenswerte Energieeinsparung erreicht werden kann. Zu vermuten ist allerdings, dass derartige Messungen vorgenommen worden sind, deren traurige Ergebnisse jedoch zur Werbung für WDVS ungeeignet sind. Stattdessen häufen sich in neuerer Zeit Schadensmeldungen, die offensichtlich typisch für derartige Außenwandbeschichtungen sind. Vorwiegend handelt es sich hierbei um
Veralgung und Verpilzung der Fassadenoberflächen 98 Absaufen der Dämmstoffe Durchnässung der Außenwände Schimmelbildung an Fensteröffnungen und bei konstruktiven Wärmebrücken, z.B. auskragende Betonplatten und Fensterlaibungen.
Was geschieht da also? Warum auch der Energiespareffekt ausbleibt, wird a.a.O. behandelt werden.
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Hierauf wird noch sehr ausführlich a.a.O. eingegangen werden. In diesem Kapitel geht es nur darum, die bauphysikalischen Ereignisse in und am Dämmstoff zu schildern.
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Von einem echten Nullenergiehaus wäre zu fordern, dass es ein Gebäude ist, dem keinerlei Energie zugeführt wird. In Wirklichkeit ist das Nullenergiehaus natürlich eine Fiktion. Betrachtet man derartige Gebäude genauer, findet man Energieversorgungseinrichtungen in Form von Sonnenkollektoren, photovoltaischen Anlagen, Wärmepumpen, die Umweltenergien ins Gebäude fördern und elektrische Energie in beachtlicher Menge verbrauchen. Das Fraunhoferinstitut für Bauphysik (IBP) bezeichnet je nach Erscheinungsform diesen Schaden als Leoparden oder Tigereffekt.
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Veralgung von gedämmten Fassadenoberflächen
Wenn wir versuchshalber eine Schüssel Wasser auf dem Balkon aufstellen, werden wir, solange das Wasser nicht gefriert, nach wenigen Tagen eine Grünverfärbung des Wassers feststellen. Hierbei handelt es sich um Algen, also um eine einfache aber sehr robuste Pflanzenart, die eine fadenförmige Struktur hat. Nach längstens zwei Wochen hat sich im Wasser ein Algenteppich entwickelt, der zeigt, dass es sich hier um ein genügsames und wuchsfreudiges Lebewesen handelt. Lassen wir das Wasser eintrocknen, verfärben sich die Algen braun und bieten einen traurigen Anblick. Zur Trauer besteht jedoch kein Grund, denn die Algen sind keineswegs tot. Werden sie wieder nass, erwachen sie – als wäre nichts geschehen – zu weiterem fröhlichem Wachstum. Da diese Algenbildung in jeder besseren Wasserpfütze stattfindet, die ebenfalls austrocknet, verwehen die Algensporen auch und verbreiten sich so über die Luft überall hin, auch auf Ihren Balkon. Die Luft ist also angefüllt mit herumschwebenden Algensporen. Das einzige, was sie zum Gedeihen benötigen, sind nasse Zonen. Die paar Mineralien, die sie benötigen, werden gleich mit angeweht, das CO2, das ihre Nahrung ist, findet sich in ausreichender Menge in der Luft. Wenn wir am Gebäude Algenwuchs feststellen, deutet dies auf durchnässte Oberflächen hin. Die finden wir überall, so z.B. an Grundstücksmauern, die allseitig beregnet werden und im Schatten stehen, an nicht abgedichteten Stützwänden, die von der Erdseite her durchnässen und nun auch in gehäuftem Masse an den Oberflächen von Wärmedämmverbundsystemen mit dicken Dämmschichten. Woher kommt die Durchnässung der Oberflächen, fragt sich die Fachwelt. Vor einiger Zeit erhielt ich eine Einladung zu einer Fachtagung der WDVS-Industrie, die dieses Problem zum Gegenstand haben sollte. Ich bekundete mein Interesse an dieser Veranstaltung, teilte jedoch zugleich meinen Standpunkt mit, dass die Veralgung ein Problem der WDVS sei und sehr einfach dadurch lösbar sei, dass man derartige und ohnehin auch energetisch unwirksame Bauweisen nicht ausführen sollte. Anscheinend kamen auch von anderen Eingeladenen ähnliche Kommentare mit der Folge, dass die Veranstaltung sangund klanglos abgesagt wurde. Wir haben bereits gesehen, dass von jedem Stoff Wärmestrahlung emittiert wird. Das gilt auch für Dämmstoffe und die darüber befindlichen Kunstharzputze. Nehmen wir einmal an, dass die Wandoberfläche in der Ausgangsphase noch eine Oberflächentemperatur von 5 °C hat. Dies ist in Kelvin umgerechnet eine Temperatur von 278 K. Nach dem Strahlungsgesetz von Stefan – Boltzmann errechnet sich damit unter der Annahme eines Strahlungskoeffizienten von 0,90 der Stefan – Boltzmann – Konstanten eine Strahlungsleistung von etwa 300 W/m². Da eine Dämmschicht massearm ist, hat sie in kürzester Zeit ihre gespeicherte Energie abgegeben und zwar so lange, bis sich ein Strahlungsgleichgewicht mit der Umgebungsstrahlung und
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der Strahlung aus dem Weltraum eingestellt hat. Die Temperatur der Außenluft spielt ebenfalls eine, wenn auch kleine Rolle, da die konvektiv bestimmte Energieübertragung nur zu einer sehr kleinen Energiezufuhr beiträgt. Geschieht dies in einer frostklaren Winternacht, bei der die Einstrahlung aus der Umgebung gering, die Einstrahlung aus dem Weltraum praktisch überhaupt nicht mehr stattfindet, kann die Oberflächentemperatur weit unter die Temperatur der Außenluft absinken. Von innen findet wegen der dicken Dämmschicht die Energiezufuhr zur Oberfläche nur sehr verzögert statt. Obwohl in dieser Nacht wegen der geringen Lufttemperatur auch der absolute Wassergehalt der Luft klein ist, haben wir es dennoch mit sehr hohen relativen Luftfeuchtigkeiten zu tun. Somit wird nun die Wandoberfläche des WDVS zur Kondensationsebene gegenüber dem in der Luft enthaltenen Wasserdampf. Liegt die Oberflächentemperatur noch über dem Gefrierpunkt, wird die Oberfläche nass, liegt sie darunter, kommt es zur Reifbildung. Tagsüber wird dieser Reif abgeschmolzen. Das Ergebnis ist in jedem Fall eine Vernässung der Fassadenoberfläche.99 Diese Ereignisse finden nun nicht nur etwa nur im Kernwinter statt, wo sie verhältnismäßig folgenlos bleiben, weil da der Anteil der Algensporen in der Luft sehr klein ist, sondern schon ab Ende August, wie jedermann von seinem Auto weiß, dessen Blechkleid bereits in dieser Jahreszeit mit einer Reifschicht bedeckt sein kann. Dabei können wir auch sehen, dass die Blechoberfläche weit unter die Aussenlufttemperatur auskühlen kann. In dieser Zeit ist aber bei Algen noch volle Vegetationsphase. Wir haben also nun alles, was zur Algenbildung benötigt wird, beisammen, vor allem eine ausreichend nasse Fläche. Bei der Genügsamkeit der Algen reicht das für ein üppiges Wachstum aus. Die Sekundärfolge ist sodann eine verhältnismäßig rasch zerstörte Fassadenoberfläche, da die biochemischen Ereignisse die Fassadenoberfläche zersetzen. Hinzu kommt, dass der Algenteppich Nährboden für weitere pflanzliche Lebewesen wird, vorwiegend Moose und Flechten. Dass das Ganze auch hässlich aussieht, sei nur am Rande vermerkt 100. Derzeit sind unsere fleißigen Chemiker dabei, „algizide“ Mittel zu erfinden, die als Gift auf die Fassaden aufgesprüht werden sollen. Diesen Mitteln kann man bereits jetzt vorhersagen, dass sie sich alsbald auch als gesundheitsschädlich 99
Ich habe schon eine Reihe derart schadensbetroffener Gebäude besichtigt, bei denen sichtbar ist, dass im Bereich der wärmeleitenden Verankerungen, dort also, wo das WDV-System unterbrochen ist, scharf abgegrenzte helle, nicht veralgte Flächen zu sehen sind. Dies ist ein klarer Beweis dafür, dass die Dämmschicht schadensverursachend ist. Neuerdings heißt diese Erscheinung „Panthereffekt“ we gen der kreisrunden weißen Flächen auf veralgtem Untergrund.
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Der BGH hat in einem solchen Schadensfall bereits entschieden, dass selbst dann, wenn strukturelle Schäden an der Fassade noch nicht eingetreten sind, die Veralgung als schwerer Mangel anzusehen ist und somit den Besteller berechtigt, Zahlung zu verweigern und Schadensersatzforderungen geltend zu machen.
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herausstellen werden – ich erinnere an das traurige Ende der Holzschutzmittel – und sodann vom Gesundheitsminister wieder verboten werden. Auch ich weiß keinen Rat, wie WDVS vor Veralgung und nachfolgender Zerstörung geschützt werden können.101 Das Problem wird sich von selbst lösen, wenn sich herumgesprochen haben wird, dass ja ohnehin der beabsichtigte Energiespareffekt ausbleibt. Das Absaufen dicker Dämmstoffe
Eigentlich hätte es gar nicht zu diesem Bauschaden kommen dürfen. Bereits in den frühen sechziger Jahren des vorigen Jahrhunderts hatten wir es schon einmal mit dem Absaufen von Dämmstoffen zu tun, nämlich auf Flachdächern, die als sog. „Warmdach“ konstruiert waren. Bereits damals stellten die Bausachverständigen fest, dass die Dämmschichten in Warmdächern, obwohl sie von beiden Seiten in wasserdichte Schichten eingepackt waren, vollkommen nass waren. Die Durchnässung war so vollkommen, dass wegen des Gewichts der auflastenden Wassermassen die Statik der Dachdecken nicht mehr stimmte. In dieser Zeit geriet das Warmdach in einen so großen Verruf, dass viele Architekten kategorisch dem Flachdach abgeschworen haben. Wenn schon Flachdächer gebaut werden sollten, griff man wieder zum unterlüfteten Kaltdach. Die Erfindung des Umkehrdaches löste das Problem ebenfalls recht ordentlich. Ich meine, dass Warmdächer nur dann zu verantworten sind, wenn entweder die Konstruktionsweise des Umkehrdaches gewählt wird oder als Dämmstoff dampfdichtes Schaumglas verwendet wird. 102 Die Erfindung der WDVS ist eigentlich nichts anderes, als dass eine am Flachdach höchst schadensträchtige Konstruktion, die zu Recht vom Markt verschwunden ist, an den Außenwandoberflächen wieder fröhliche Urständ feiert. Und damit haben wir uns einen längst für überwunden geglaubten Bauschaden wieder an den Hals gehängt. Die Schadensberichte über abgesoffene, also völlig durchnässte Dämmschichten auf Außenwänden häufen sich in der Fachliteratur, was aber die einschlägige Industrie nicht im geringsten daran hindert, diese Konstruktion mit massiver Propaganda und sehr erfolgreich zu vertreiben. Unterstützt wird sie hierbei 101
Einer der Hersteller von WDVS, die Fa.KEIM, Diedorf, empfiehlt neuerdings, statt der bisher üblichen Kunstharzbeschichtungen eine wasseraufnahmefähige und mindestens 7 mm dicke mineralische Beschichtung aufzubringen, die das Tauwasser vorübergehend aufsaugt. Damit soll der Veralgung entgegengewirkt werden. Interessant ist jedenfalls, dass ein bedeutendes Werk mit hohem Ansehen in der Architektenschaft damit dem „klassischen“ WDVS bescheinigt, dass es
bauschadensträchtig ist. 102
Eines meiner Frühwerke ist ein 1967/68 errichtetes Mehrfamilienhaus in Regensburg. Damals propagierte man das gefällelose Flachdach. Unerfahren, wie ich damals war, übernahm ich diese Anregung. Ich ließ jedoch dieses Dach, das nur über Wasserspeier entwässert war, die damals nachgerade mein Markenzeichen waren, mit einer 60 mm dicken, zweilagig verlegten Schaumglasschicht dämmen. Dieses nun schon 40 Jahre alte Dach funktioniert bis heute in jeder Hinsicht, obwohl ich das fehlende Gefälle heute als Mangel betrachte. Kürzlich habe ich von einem Bewohner dieses Hauses, der einer der noch wenigen übrig gebliebenen Erstbewohner ist, erfahren, dass noch niemals an diesem Dach ir gendetwas gemacht worden ist. Ich habe daher empfohlen, dass man wenigstens einmal die Dachhaut mit Bitumen tränken sollte, da dieses leider durch UV-Bestrahlung allmählich spröde wird.
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durch das Fraunhoferinstitut Holzkirchen, durch den prominentesten Promotor der EnEV, Prof.Dr.-Ing. Gerd Hauser und etliche andere mehr. 103 Letzterer war wenigstens so anständig, vor einiger Zeit selbst seine Ideen in Zweifel zu ziehen104, - zwar nur verklausuliert -, während der frühere Leiter des Holzkirchner Instituts, Prof. Karl Gertis 105 , immer noch behauptet, dass die beste Dämmstärke 40 cm sei. Die Fachwelt wartet bis heute vergeblich auf einen Widerruf dieses offenkundigen Unsinns. Wir wollen uns nun aber mit den Vorgängen beschäftigen, die das Absaufen der dicken Dämmschichten bewirken. Als „dicke Dämmschichten“ bezeichne ich Dämmmaterialien, die eine Stärke von 100 mm übersteigen. Üblicherweise werden bei WDVS Dämmstoffe aus Kunststoff, also Polystyrol oder Polyurethan verwendet, da auf diesen wegen ihrer Festigkeit unmittelbar eine Beschichtung, meist aus kunstharzgebundenen Dünnputzen aufgebracht wird. Da findet man in der Praxis bereits Dämmstärken von 200 mm nach dem Motto „Viel hilft viel“. Dahinter steckt allerdings profunde Unkenntnis über die Wirkungsweise von Dämmstoffen. Trotz der abweichenden Meinung von Prof. Karl Gertis ist sich die Wissenschaft darin einig, dass die Dämmwirkung von Dämmstoffen mit zunehmender Schichtstärke nicht etwa linear zunimmt sondern zusätzliche Schichtdicken nur einen Zuwachs an Dämmfähigkeit bringen, der wie ein Hyperbelast gegen Null strebt. Man spricht daher von der „Hyperbeltragik“ bei Dämmstoffen. Daher gibt es eine Wirtschaftlichkeitsgrenze, die nach allgemeiner Meinung bei einer Dämmstärke von 80 mm erreicht ist. Bei faserigen Dämmstoffen, deren obere Schicht durchblasen werden kann, wird die Wirtschaftlichkeitsgrenze bei 100 mm erreicht. Jedes darüber hinausgehende Maß ist baupraktisch unwirksam, löst konstruktive Probleme aus und bedeutet Geldverschleuderung. Unser Wasserdampf, dessen aggressives weil energiegeladenes Verhalten wir bereits kennen gelernt haben, dringt in die gedämmte Wand ein. Da wegen der Dämmschicht die Wandtemperatur hoch ist, bleibt er hier dampfförmig. Er wandert also weiter und gelangt nunmehr in die Dämmschicht, die diffusionsoffen ist und keinerlei nennenswerten Widerstand entgegensetzt. Aber auch im dicksten Dämmstoff befindet sich irgendwo eine Tauzone, also der Bereich, in dem die relative Luftfeuchtigkeit wegen der sinkenden Temperatur auf 100% ansteigt. Der Wasserdampf verwandelt sich somit in Wasser. Diese Tauzone befindet sich, wie man empirisch festgestellt hat, was aber auch durch Berechnungen bestätigt wird, stets an der Grenze zum vorderen Drittel der 103
Aber auch beim IBP scheint ein Umdenken zu beginnen. Am 27.März 2007 habe ich mit Vergnügen vernommen, dass man beim IBP darüber nachzudenken beginnt, die empfohlenen Dämmstärken wieder zu verkleinern, da der Mindestwärmeschutz ja ausreichen würde. Damit landen wir dann wieder bei den Früheren Dämmstärken von etwa 40 mm, gegen die nichts einzuwenden ist.
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Deutsche Bauzeitschrift DBZ 3/1997, Analyse des Heizenergieverbrauchs von Mehrfamilienhäusern auf der Basis der GEWOS-Erhebung. Inzwischen emeritiert.
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Dämmschicht106. Bei 200 mm Schichtstärke liegt somit die Tauzone etwa 67 mm vor der Außenwandfläche. Wäre es der Dämmstoffindustrie gelungen, kapillar leitfähiges Material zu entwickeln, begönne nun der von der Massivwand her bekannte Prozess der Wasserwanderung nach außen und der dortigen Abtrocknung. So aber sind sowohl faserige als auch geschäumte Dämmstoffe von sehr geringer kapillarer Leitfähigkeit quer zur Schicht, sodass sich in dicken Schichten mehr Kondensat bildet als nach außen wandern kann. Also kommt es unweigerlich zur Anreicherung von tropfbarem Wasser in der Dämmschicht. Dieser Vorgang durchläuft mehrere Phasen:
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Mit Beginn der Heizperiode dringt Wasserdampf in die Dämmschicht ein, der in der Tauzone kondensiert und dort den Dämmstoff mit winzigen Wassertröpfchen durchsetzt. In der Tauzone verstärkt sich die Tröpfchenbildung. Es kommt zur flächigen Benetzung des Materials. Die Dämmfähigkeit des benetzten Dämmstoffes verringert sich in der Tauzone, womit sich die dämmende – weil trockene- Schicht verdünnt. Der nun dünner gewordene Dämmstoff – der feuchte Bereich ist kein Dämmstoff mehr – verlagert seine Tauzone nach innen. Es kommt somit zu einer Wanderung der Tauzone nach innen unter Beibehaltung der Wassermenge in der ursprünglichen Lage der Tauzone. Der vordere Bereich des Dämmstoffs bleibt hierbei trocken. In längeren Zeiträumen wandert eine geringere Wassermenge in die Bereiche vor der Tauzone, die sich dort anlagert bis in einen Bereich, wo sich Trocknungsvorgänge auswirken, sodass die inzwischen schon erhebliche Durchnässung des Dämmstoffes an der Außenfläche nicht sichtbar wird. Die Durchnässung der Konstruktion kann also nur durch eine Probeöffnung festgestellt werden. Äußerlich sieht alles noch recht gut aus. Sobald sich im Dämmstoff geschlossene Wasserschichten gebildet haben, nehmen diese die Eigenschaft von Dampfsperren an. Die weitere Tauwasserbildung findet von da ab nur noch an der Grenzschicht zwischen Mauerwerk und nassem Dämmstoff statt. Allmählich durchfeuchtet das Mauerwerk von außen her. Bei bestimmten Wetterlagen und Sonneneinstrahlung kommt es zur Erwärmung der nassen Dämmschicht von außen, sodass ein Teil des eingeschlossenen Wassers dampfförmig wird. Dieser Wasserdampf wandert teilweise nach außen, aber auch nach innen, wo er eine Tauzone findet, in der er kondensiert. Der Wasserdampfstrom wechselt also teilweise seine Richtung. Bei Frostwetter und starker Wärmeabstrahlung kommt es in der
In Abhängigkeit von der Temperatur der Fassadenoberfläche und der eindringenden Wasserdampfmengen wandert die Tauzone hin und her, sodass wir uns die Tauzone als eine verhältnismäßig dicke Schicht parallel zu Außenwandoberfläche vorstellen müssen, die jedoch an nach außen springenden Ecken und Vorsprüngen sich beachtlich nach innen verlagert, da diese Bereiche besonders stark von Auskühlung betroffen sind.
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Dämmschicht zur Bildung von Eiskristallen und damit zu einer Volumenvergrößerung des Wassers. In Bereichen, in denen sich diese Volumenvergrößerung nicht entfalten kann, kommt es zu Frostaufbrüchen und damit zur mechanischen Zerstörung der Strukturen. Schichten lösen sich voneinander. Die Eiskristallbildung zerstört auch die geschlossenzelligen Strukturen von Dämmstoffen aus Kunststoffen, sodass jetzt der völligen Durchnässung des Dämmstoffs nichts mehr entgegensteht. Auf den Innenwandflächen, die feucht geworden sind, kommt es zur Ablösung wasserlöslicher Konstruktionen, z.B. Tapeten, Anstriche und zur Bildung von Nährböden für Schimmel. Holzkonstruktionen durchfeuchten, quellen auf und beginnen zu verrotten. Bei Sättigung der Dämmstoffe mit Wasser reicht die Sommerperiode zur Austrocknung nicht mehr aus. Es kommt zu erheblicher Dampfbildung mit erhöhten Dampfdrücken, sodass jetzt auch die Fassadenbeschichtungen abgedrückt werden, sichtbar an Blasenbildung und Ablösung von Farbanstrichen. Energetisch treten hierbei sogar Verbesserungen ein, da der durchnässte Dämmstoff zur Speicherung von Wärmeenergie in der Lage ist, sodass derart durchnässte Fassaden bei Sonneneinstrahlung deutlich höhere Temperaturen haben. Insgesamt hat die Wandkonstruktion völlig versagt. Die Sanierung wird mit der Entfernung des WDVS eröffnet.
Dies ist ein wahres Horrorszenario, das jedoch aus der Praxis durchaus bekannt ist. Natürlich muss es nicht in jedem Einzelfall zu diesem bitteren Ende kommen. Wir Architekten leben auch von dem Phänomen, dass nicht jeder Planungsfehler zum Bauschaden führt. Baukonstruktionen haben auch die Eigenschaften von sich selbstregelnden Systemen, sie helfen sich daher gelegentlich selbst. Beispiel: Jeder Gebäuderiss ist eigentlich nichts anderes als eine vom Planer vergessene Bewegungsfuge, die sich das Bauwerk in seiner Not selbst herstellt. Würde es der Dämmstoffindustrie gelingen, Materialien mit wirksamen und quer zur Dämmschicht gerichteten Kapillaren herzustellen, damit das Wasser zügig zur Außenhaut geleitet wird, wo allerdings dampfbremsende Beschichtungen unbedingt zu vermeiden sind, wäre dies ein richtiger Weg zur Verbesserung der Wärmedämmverbundsysteme, die allerdings nur in der geringeren Schadensträchtigkeit läge. Dass derartige Konstruktionen nicht zur Verbesserung der Energiebilanz am Gebäude beitragen können, sie somit vermieden werden sollten, wird noch a.a.O. ausführlich behandelt werden. Tauwasserbildung im Sommer
Dass es auch im Sommer Tauwasserbildung gibt, die den Pfarrer Kneipp dazu angeregt hat, den Gebrechlichen zu raten, früh morgens barfuss im taunassen Gras herumzustapfen und wir in einem fröhlichen Wanderlied mitteilen, dass wir im Frühtau zu Berge gehen, hat sich im Bauwesen noch nicht so richtig
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herumgesprochen. An heißen und schwülen Sommertagen haben wir hohe relative Luftfeuchtigkeiten mit häufiger Wasserdampfsättigung und entsprechend hohem Partialdampfdruck. Unvermeidbar ist daher der Wasserdampfeintritt von außen in die Umschliessungsflächen. Bei den Superdämmungen nach EnEV diffundiert der Wasserdampf auch in die Dämmschichten hinein, die im Sommer natürlich innen kühler als außen sind. Somit kommt es mitten im Sommer zu Tauwasserbildung im Dämmstoff. Der Wasserdampf dringt hierbei ungebremst in den Dämmstoff ein. Das flüssige Tauwasser findet aber seinen Weg nicht mehr nach außen- die kapillare Leitfähigkeit des Dämmstoffs reicht hierzu nicht aus. Befördert wird dieser Prozess durch die großen sommerlichen Temperaturschwankungen im TagNacht-Rhythmus. Bei den hohen Lufttemperaturen und der ebenso großen relativen Luftfeuchte werden da im Sommer entschieden größere Tauwassermengen gebildet als im Winter. Untersucht wurde das bisher aber noch nicht, Statt dessen geistert das Gerücht durch die Bauphysikerzunft, dass im Sommer mehr Wasser aus den Umschliessungshüllen austrocknen würde, als im Winter eindiffundiert. Das Gegenteil scheint der Fall zu sein. Die Energiebilanz
Der Energieerhaltungssatz gebietet, dass bei der Betrachtung der energetischen Ereignisse am Gebäude der Energieeintrag und der Abtrag von Energie gleich groß sein müssen. Wäre dies nicht so, würde ein Gebäude entweder bis zum absoluten Nullpunkt auskühlen oder es würde immer energiegeladener – also heißer - werden. Beides tritt nicht ein, völlig unabhängig davon, ob ein Gebäude beheizt wird oder nicht. Dass ein nicht beheiztes Gebäude dazu strebt, den Energiezustand der Umgebung anzunehmen, ist eine Folge des entropischen Prinzips. Solange ein Temperaturgefälle besteht, verlagert sich die Energie, bis ein Gleichgewicht eingetreten ist. Wir wissen, dass im Winter unbeheizte Gebäude im Innern fast immer wärmer sind als die Umgebung. Das ist bereits ein erster Hinweis darauf, dass Gebäuden von außen Energie zugeführt wird. Nun wollen wir aber in die Energiebilanz etwas Ordnung bringen: Wie in jeder ordentlichen Bilanz müssen Aktiva (Energieeintrag mit dem Vorzeichen „+“) und Passiva (Energieabtrag mit dem Vorzeichen „- “) sauber getrennt aufgelistet werden. Energieabtrag
Den Begriff „Energieverlust“ sollte man vermeiden, weil prinzipiell Energie nicht verloren geht. Im schlechtesten Fall verlagert sie sich in Bereiche, wo sie unserer Nutzung entzogen ist. Im baupraktischen Bereich haben wir es nur mit drei Wegen der Energieverlagerung zu tun. Das sind:
Strahlung (quantenphysikalischer Vorgang) Konvektion (Wärmeübergang zwischen Fluiden und Feststoffen) Wärmeleitung (Verlagerung von Wärmeenergie in Feststoffen als interner Prozess)
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Ich werde noch ausführen, dass Wärmeleitung z.B. in Außenwänden nicht gleichbedeutend mit Energieabtrag ist, sondern nur zur Energieverlagerung im Baustoff führt. Um ein behagliches Raumklima zu erzeugen, benötigen wir erwärmte Baustoffe. Die Baustofferwärmung ist also ausdrückliches Ziel der Beheizung, hat also mit Energieabtrag nichts zu tun. Die Wärmeleitung im Baustoff ist daher eine unvermeidbare Begleiterscheinung des Beheizungsvorgangs. Erst wenn die in den Baustoff eingetragene Energie das Bauwerk endgültig verlässt, können wir von Energieverlust 107 sprechen. Führt man diesen Gedanken konsequent zu Ende, stoßen wir auf die – allerdings normwidrige – Tatsache108, dass der Energieverlust nur an der Gebäudeoberfläche stattfindet. Sieht man einmal davon ab, dass an einem Gebäude auch kaltes Wasser herablaufen kann, sodass dann auch Wärmeleitungsprozesse stattfinden würden, kann Wärmeenergie nur konvektiv, also durch strömende Luft und durch Abstrahlung dem Gebäude entzogen werden109. Dieser Prozess wird aber in der DIN 4108 völlig unzureichend behandelt. Abstrahlung
Jeder Körper, der eine Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes bei 273 °C oder 0 K hat, strahlt fortwährend Energie in Form von elektromagnetischen Wellen ab. Das Prinzip ist bereits erklärt. Maßgebend für die Berechnung der Abstrahlungsleistung sind folgende Faktoren:
Stefan-Boltzmann-Konstante (5,671) Absolute Temperatur der strahlenden Oberfläche in (K) Strahlungskoeffizient (ε) der strahlenden Fläche als Bruchteil der Stefan Boltzmann-Konstanten.
Mit Hilfe dieser Größen lässt sich die Abstrahlungsleistung recht genau ausrechnen. Die Oberflächentemperatur ist messbar. Der Strahlungskoeffizient kann ebenfalls über den Umweg der Messung des Reflexionsgrades gemessen werden. Er ist unabhängig von der Temperatur und kann wie ein konstanter Wert verwendet werden. Außerdem gibt es Tabellen, denen man für die gebräuchlichsten Materialien die Strahlungskoeffizienten entnehmen kann. Die einzige variable Größe bei der Ermittlung der Strahlungsleistung ist somit die Temperatur der strahlenden Oberfläche. Das ist wörtlich zu nehmen. Die Beschaffenheit des Materials hinter der Oberfläche ist ohne jeglichen Einfluss. Ohne jeglichen Einfluss auf die Abstrahlungsleistung sind auch die 107
Da auch ich gerne den Begriff „Energieverlust“ verwende, rege ich zur Vermeidung physikalischer
Ungenauigkeit an, diesen Begriff immer – mindestens gedanklich – mit dem besitzanzeigenden Fürwort „unser“ zu verbinden, womit dann ausgedrückt ist, dass wir zu Lasten unseres Geldbeutels etwas
eingebüsst haben. 108 109
Nach Norm beginnt der „Energieverlust“ an der Innenwandoberfläche.
Im Bereich der oberirdischen Bauteile.
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Umgebungsbedingungen gleich welcher Art. Abstrahlung ist also ein autonomer Vorgang, der, solange die Temperatur der strahlenden Fläche sich nicht verändert, immer gleich bleibt. Um uns eine Vorstellung über die Größenordnung zu machen, nochmals ein Rechenbeispiel: Gegeben sei eine Ziegelwand aus dunkelbraunem Material mit einem Strahlungskoeffizienten nach Tabelle von 5,36. Die Oberflächentemperatur im Winter sei 3 °C (276 K). Nun setzen wir in die Stefan-Boltzmann-Formel ein und erhalten folgenden Rechenansatz: Φ Abstrahlung = 5,36 * (276/100) 4 = 311,02 W Würde man diese Strahlungsleistung auf die Wandoberfläche eines Hauses umlegen, kämen wir auf einen Energiebetrag, der die Heizleistung des Heizkessels um etwa das 40-fache überschreiten würde. Bereits jetzt erkennen wir, dass alleine wegen des Energieabtrages durch Strahlung und des gewaltigen Defizits zur Leistung des Kessels es auch einen weiteren und im Verhältnis zur Kesselleistung riesigen exogenen Energieeintrag geben muss. Wir müssen daher die Vorstellung aufgeben, dass die Aufgabe des Kessels darin bestünde, im Gebäudeinnern den gesamten Energieabtrag des Gebäudes nach außen auszugleichen. Das „Warmluftbehältermodell“ der DIN 41 08 und der EnEV ist also nicht haltbar. Wollen wir die Abstrahlungsleistung eines Gebäudes genau ermitteln, müssen wir die einzelnen Gebäudeoberflächen oberhalb des Erdreichs gesondert untersuchen und hierbei die zutreffenden Strahlungskoeffizienten und auch die abstrahlungsbedingt verschiedenen Oberflächentemperaturen berücksichtigen. Die Mühe der fortlaufenden Messung der Oberflächentemperaturen können wir uns weitgehend ersparen, da sich im baupraktischen Bereich die in der Berechnungsformel enthaltene 4. Potenz nicht gravierend auswirkt. Ich empfehle, in der Kernheizzeit von einer Wandoberflächentemperatur bei Mauerwerk von i.M. 5 °C auszugehen. 110 Für die Heizungsübergangszeit schlage ich den Wert 8 °C vor. Etwas sorgfältiger sollte man bei der Abstrahlungsleistung von Glasflächen vorgehen, da deren Oberflächentemperatur sehr stark in Abhängigkeit von der Beheizungstechnik steht. Bei konvektiven Heiztechniken liegt sie durchwegs um etwa 3 – 5 °C höher, weil hier ständig auf der Raumseite ein konvektiver Energieübergang stattfindet. Bei Wandheizungen sieht es erheblich günstiger aus, da wir raumseitig eine stabile Luftschichtung haben. Darüber später mehr. Gesondert zu berechnen sind Dachkonstruktionen. Bei Flachdachkonstruktionen gilt auch hier, dass nur die Oberflächentemperatur maßgebend ist. Bei belüfteten Steildächern gilt als energetische Oberfläche die Fläche unterhalb der 110
Das ist ein Mittelwert den ich im Winter 2001/2 ermittelt habe.
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Belüftungszone, also nicht etwa die Dachziegeloberfläche. Diese gilt bereits als Quelle von Einstrahlung. Trostreich ist auch, dass für die erdberührten Bauteile die Abstrahlungsleistung ohne Interesse ist. Hier überwiegen die Wärmeleitungsprozesse ins angrenzende Erdreich hinein, wobei wir nur noch zu überlegen haben, ob es eigentlich sinnvoll ist, die Grenzschicht zwischen Außenwand und Erdreich als Ort des Energieabtrags zu definieren. Hierzu anderswo mehr. Konvektiver Energieabtrag auf Außenflächen
Berechnungstechnisch haben wir hier ein unlösbares Problem, was auch schon die DIN 4108 erkannt hat und daher dort keine Rechenverfahren angeboten werden. Stattdessen schreibt die Norm einen sog. Wärmeübergangskoeffizienten mit der stets festen Größe von 25 W/m² vor, der in Wirklichkeit bei Windstille auf etwa 2 W/m² zusammenschrumpft. Er hat also die Eigenschaft eines pauschalen Zuschlags. Der tatsächliche konvektive Energieabtrag wird ganz entscheidend von der Strömungsgeschwindigkeit der Aussenluft bestimmt. Dabei verzehnfacht sich diese Größe z.B. bei Windgeschwindigkeiten von 6 m/s.111 Um genauere Werte zu bekommen, muss im Einzelfall das orografische 112 Wetter ermittelt werden. Wenn man Glück hat, stehen sogar Daten einer Wetterstation zur Verfügung. Ansonsten ist man nicht schlecht beraten, Nachbarbefragungen durchzuführen. Auch die vorhandene natürliche Umwelt gibt Hinweise. Finden wir Windflüchter 113 vor, haben wir es mit einer windigen Ecke zu tun. Schneeverwehungen, dünenartige Strukturen, die Struktur von Hecken und Sträuchern geben ebenfalls Hinweise auf eine besondere Windlage. Auch ein Blick auf vorhandene traditionelle Bauweisen lohnt immer. Brett- oder Schindelverkleidungen signalisieren fast immer eine windreiche Lage. Auch unsere Vorfahren waren schon schlau genug, um zu erkennen, dass derartige Verkleidungen den Wind von der energetischen Gebäudeoberfläche abhalten. Haben wir es mit Wind zu tun, können wir in dieser Phase getrost mit einem Energieabtrag von 300 – 400 W/m² rechnen. In einer windigen Gegend sind wir, wie unsere Vorfahren bestens beraten, Außenhüllen zu bauen, die den Energieabtrag durch Wind unterdrücken. Das ist eine der einfachsten Methoden, Energie in beachtlichen Mengen einzusparen. Außendämmungen können das nicht leisten. Fegt nämlich kalte Luft über das WDVS, kühlt auch hier die Oberfläche sehr rasch aus. Hierdurch erhöht sich das Temperaturgefälle im Dämmstoff, sodass auch hier ein erhöhter Energieabtrag an der Außenwand stattfindet.
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Zur Berechnung dienen Faustformeln.
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Typische Wetterverhältnisse für einen begrenzten geografischen Bereich.
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Bäume, die auffällig schräg stehen, weil sie dem Wind nachgegeben haben, ähnlich, wie ein Segel boot bei Seitenwind krängt.
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Ist die Gebäudeoberfläche nass, erhöht sich der konvektive Energieabtrag, weil der Oberfläche nun auch Kondensationswärme entzogen wird. Der Wärmeübergang von festen Stoffen in die Luft und in Flüssigkeiten – und auch der umgekehrte Vorgang – wurden schon von Newton überlegt. Zu einer Lösung ganz praktischer Fragestellungen kam Newton aber nicht. Hierzu fehlte es ihm an allem, so an Messgeräten und auch an der Mathematik. Heute weiß man, dass derartiges nur mit sehr komplizierten Differentialgleichungen behandelt werden kann und auch dann nur für genau messbare und verhältnismäßig unkomplizierte Einzelfälle. Eine allgemeine Lösung für dieses Problem gibt es bis heute noch nicht. Daher finden wir in Physikbüchern die trostreiche Mitteilung, dass die Wärmeübergangszahl, die mit (α) bezeichnet wird, eine Schwankungsbreite von 2 – 20 000 W/m²K hat. Die entscheidende Größe an Fassadenaussenflächen ist hierbei die Windgeschwindigkeit (w), die in m/s angegeben wird. Daher ist bei Windstille und in stehenden Luftschichten die Wärmeübergangszahl mit etwa 2 W/m²K am geringsten. Es gibt Faustformeln, bei denen die Windgeschwindigkeit in der Weise berücksichtigt wird, dass der Wärmeübergangszahl stehender Luft der zwölffache Betrag der Quadratwurzel aus (w) hinzuaddiert wird. Da wir die Windgeschwindigkeit messen können haben wir also nun eine näherungsweise Berechnungsformel 114 für den konvektiven Wärmeübergang: Φ konvektiv = 2 + 12 * (w) ½ * K in (W/m²K) Ein kleines Rechenbeispiel: Gegeben ist eine verputzte Wand mit einer Oberflächentemperatur von + 2 °C. (275 K). Die Windgeschwindigkeit wurde mit 9 m/s bei einer Lufttemperatur von – 3 °C (270 K) gemessen. Wir wollen den konvektiven Energieabtrag bestimmen. Also setzen wir in die Formel ein: Φkonvektiv = 2 + 12 * ( 9 ) ½ * (275 – 270) W/m² = 190 W/m² Hätten wir Windstille, bliebe es beim Wärmeabtrag von 2 W/m², woraus wir auch erkennen können, dass hierbei die Lufttemperatur verhältnismäßig uninteressant ist. Bestimmend für die Wärmeübergangszahl sind aber auch noch weitere Einflüsse wie
Rauhigkeit der Oberfläche Windrichtung Relative Luftfeuchte der Aussenluft Feuchtigkeitszustand der Wandoberfläche
Der Praktiker muss hier entsprechende Berichtigungen in seiner Berechnung vornehmen. Schön wäre es, wenn z.B. das Fraunhoferinstitut für Bauphysik Messungen durchführen würde und diese den Fachleuten zur Verfügung stellen würde. Der in der Norm DIN 4108 angegebene Pauschalwert für den 114
Entnommen aus Horst Herr, Wärmelehre, Verlag Europa – Lehrmittel, Haan-Gruiten, 2.Aufl.1994
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Wärmeübergang jedenfalls ist ein unbrauchbarer Unsinn. Das zeigt sich auch daran, dass es nach der Norm niemals den Fall des konvektiven oder strahlenden Energieeintrags gibt. So bleibt unberücksichtigt, dass Außenwände in der Heizungsübergangszeit nächtens Oberflächentemperaturen unter dem Gefrierpunkt annehmen können die Frühlingssonne jedoch zu rascher Erwärmung der Umgebungsluft führt, die sodann an den kalten Wänden entlangstreicht und somit konvektiver Energieeintrag – und nicht zu knapp – stattfindet. Ebenso verhält es sich mit der Erwärmung von Außenwänden durch Sonneneinstrahlung. Nach Norm jedoch findet in der gesamten Heizperiode rund um die Uhr nur Energieabtrag statt – mit der stets gleichen Größe von 25 W/m². Übrigens auch dann, wenn offensichtlich die Luft am Gebäude wärmer ist als die Aussenwandoberfläche, eine in der Heizungsübergangszeit häufig vorkommende Situation. Energieeintrag
Auch der Eintrag von Energie ins Gebäude ist zu ordnen. In der Reihenfolge ihrer Bedeutung sind dies: Einstrahlung aus der Umgebung Unmittelbare Sonneneinstrahlung Diffuse Einstrahlung Konvektiver Energieeintrag Heizanlage Prozesswärme aus technischen Aggregaten Energieabgabe durch die Bewohner Kondensationswärme
Um uns den wichtigen Anteilen ausführlicher widmen zu können, behandeln wir zunächst die letzten vier Energieeinträge: Energieeintrag durch die Heizanlage
Für die Dimensionierung der Heizanlage gibt es ganz ordentliche Berechnungsverfahren, die allerdings durchwegs zur Überdimensionierung führen, da sie ja auf die Spitzenlast hin zu bauen sind. Die aber wird nur selten abgefragt. Bei größeren Bauwerken plant der Fachingenieur normgemäß. Bei kleinen Bauwerken kommt man mit Faustformeln ganz gut hin, wenn der Bauherr die Kosten für den Fachingenieur scheut 115. Interessant bei unserer Betrachtung ist, welche Wärmeleistung die Anlage bezogen auf die Hüllfläche abgibt. Nehmen wir also einmal ein Beispiel, ein kleineres Einfamilienhaus mit einem Erdgeschoss mit 3,00 m Geschosshöhe, 1,00 m Drempelhöhe, Satteldach mit 54 ° Dachneigung, ausgebaut. Gebäudeumriss 8,50 m x 12,50 m. Der Kosinus bei 54 ° beträgt 0,59. Der Tangens lautet 1,38. Nun können wir rechnen:
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Für meine Temperieranlagen rechne ich den beheizten umbauten Raum aus und dimensioniere mit 10W/h m³. Für Warmwasserbereitung gibt es je nach Familiengröße einen Zuschlag von bis zu 30%. Zuschläge dienen auch zur Berücksichtigung des tatsächlichen Wirkungsgrades.
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Oberflächen Dachfläche: 8,50 x 12,50/ 0,59 Giebel: 8,50 x 4,25 x 1,38 Drempel: (8,50 + 12,50) x 2 EG-Wand: (8,50 + 12,50) x 2 x 3,00 Summe Oberfläche Umbauter Raum EG + Drempel: 8,50 x 12,50 x 4,00 Dach: 8,50 x 12,50 x 4,25 x 1,38/2 Bodenkonstruktion: 8,50 x 12,50 x 0,30 Summe umbauter Raum
= = = =
180,08 m² 49,85 m² 42,00 m² 126,00 m² 397,93 m²
= = = =
425,00 m³ 311,58 m³ 31,87 m³ 768,45 m³
Die erforderliche Heizleistung beträgt somit 768,45 x 13 W = 9.989,85 W = 10 kW. Folglich wird der Wärmebereiter auf eine Leistung von 14 116 kW bestimmt. Das ist die Spitzenlast, die jedoch nur ganz selten benötigt wird. Lege ich diese Heizleistung auf die Gebäudeoberfläche um, erhalten wir 14 000 / 397,93
= 35,18 W/m²
Hiervon können wir 25% auf den konvektiven Energieabtrag umlegen, sodass zum Ausgleich des Strahlungsverlustes 26,38 W/m² zu Verfügung stehen. Vorhin haben wir nur den strahlungsbedingten Energieabtrag mit 311 W/m² berechnet. Dieser Energieabtrag ist naturgesetzlich und es kann nicht daran gerüttelt werden. Da haben wir das vorausgesagte Ergebnis, dass die nur auf diesen Energieabtrag bezogene die Heizanlage bei Volllast gerade einmal 7/100 abdecken kann. Und dennoch sind wir ganz frohgemut und zuversichtlich, dass unsere 14 kW Heizleistung völlig ausreichen und da sogar noch ein Angstzuschlag nach altem Heizungsbauerbrauch berücksichtigt ist. Schon diese Rechnung zeigt uns, dass der überwiegende Anteil der ins Gebäude eingetragenen Energie nicht von der Heizanlage kommen kann sondern von woanders her. Energieeintrag Energieeintrag durch Prozesswärme
Darunter verstehen wir ein Sammelsurium von Energieeinträgen, z.B. die Abwärme von Kühlschränken, Herd, ungedämmte Heizleitungen, Glühlampen, Fernsehgerät, die Abwärme des Heizaggregats und vieles andere mehr. In der DIN 4108 – 4108 – 6 6 ist das recht gut aufgelistet. Viel kommt dabei aber unterm Strich meistens nicht heraus. Energieabgabe Energieabgabe durch die Bewohner
Auch diese Energiebeträge kann man errechnen. Am einfachsten geschieht dies, wenn man kurzerhand den Brennwert der täglich aufgenommenen 116
Dieser Wert enthält den sog. „Angstzuschlag“
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Nahrung ermittelt und gleichzeitig die Aufenthaltsdauer der Bewohner im Haus. Wer will, kann auch das ausrechnen. Aufregend ist aber auch hier das Ergebnis nicht. Wer tüchtig Heizenergie einsparen will, sollte regelmäßig Parties veranstalten. Energiemässig lohnt sich das, vorausgesetzt, die Gäste bringen Essen und Getränke mit. Fleißiges Tanzen verbessert das Ergebnis beträchtlich. Zumindest bis zu dem Tage, an dem auch noch die von des Gastkörpern abgelieferte Energie mit der Ökosteuer belegt wird. Kondensationswärme – Kondensationswärme – ein ein Nullsummenspiel
Da haben wir es mit einer Energieart zu tun, an die bisher noch niemand gedacht hat, obwohl es sich hier um ansehnliche Beträge handelt. Um was geht es dabei? Kondensationswärme ist die Energie, die ohne Temperaturänderung beim Verdampfen von Wasser oder beim umgekehrten Prozess, der Kondensation umgesetzt wird. Bei normalem Luftdruck beträgt die Kondensationswärme von einem Kilogramm Wasser bereits 2,26 kWh. Da in einem normalen Vierpersonenhaushalt täglich bis zu 40 l Wasser verdampft werden, stecken in diesem Dampf ansehnliche 90 kWh Leistung. Bei den heutigen Strompreisen entspricht dies einem Gegenwert von etwa € 7,20. Verfolgen wir diese Kosten über die gesamte Heizperiode von acht Monaten, produziert unser Vierpersonenhaushalt also latente117 Energie im Wert von 8 x 30 x 7,20 = € 1.728,--. 1.728,--. Wer hätte das gedacht? Bei unserem Musterhäusle von vorhin hätten unsere vier Leute bequem Platz. Schon nach erstem Hinsehen merken wir, dass der Wert der Kondensationswärme die Jahresheizkosten mindestens erreicht wenn nicht sogar übertrifft. Auch hier bleibt nichts anderes übrig als zu folgern, dass da noch woanders eine Energiequelle sein muss. Die Energiebilanz muss ja schließlich aufgehen. Bei der Kondensationswärme haben wir nun aber eine besondere Situation vor allem im konventionellen Mauerwerksbau und bei solchen Hüllflächenkonstruktionen, in denen es zur Kondensation kommt. In der Tauzone, also noch innerhalb des Wandquerschnitts findet nämlich bestimmungsgemäß Kondensation statt. Hierbei wird ohne den geringsten Energieverlust die gesamte Energie, die für das Verdampfen aufgewendet wurde als Kondensationswärmeenergie wieder freigesetzt und erwärmt somit den Bereich in der Nähe der Tauzone. Die von uns Architekten so gefürchtete Tauwasserbildung in den Konstruktionen hat also auch etwas Gutes, sie ist nämlich eine perfekte Energierückgewinnung. Allerdings handelt es sich bei der hier vorgeführten Kondensationswärme nicht um einen zusätzlichen Energieeintrag sondern um eine Energieumsetzung innerhalb des vorhandenen Energieumsatzes. 117
Die im Wasserdampf enthaltene Energie, zur zur Änderung des Aggregatzustandes geführt hat, wird als latente (lat. herumliegend) Energie bezeichnet.
63 Sonnenenergie118
Die strahlende Sonne ist natürlich eine Hauptenergiequelle am Gebäude. Die Einstrahlungsleistung auf die Erdoberfläche wurde schon aufgelistet. Die dort gezeigten Strahlungsmengen kommen leider nicht vollständig dem Gebäude zugute, sind aber dennoch immer noch im Verhältnis zur Leistungsfähigkeit der Heizanlage gewaltig. Betrachten wir das nun aus dem Blickwinkel eines Gebäudes, müssen wir folgendes feststellen: Unmittelbare Unmittelbare Einstrahlung
Unmittelbare Einstrahlung findet nur bei wolkenlosem Himmel statt. Bestrahlt werden gleichzeitig immer nur zwei Gebäudeseiten. Hierbei sind die Ost- und Westseiten benachteiligt, da dort die Einstrahlungsdauer im Winter nur 1,5 bis 2 Stunden währt. Ungedämmte Wände nutzen dieses geringe Angebot voll aus, gedämmte Wände jedoch nicht, da die verminderte Wärmeleitung in der Dämmschicht dazu führt, dass sich nach dem Ende der Einstrahlung das Temperaturgefälle dreht und somit der von außen in Gang gesetzte Wärmestrom das Mauerwerk in der gegebenen kurzen Zeit niemals erreichen kann. Auf südlich ausgerichteten Wänden ist der solare Energieeintrag am Größten. Dort scheint die Sonne ebenso lange wie im Sommer. Allerdings steht die Sonne dort tiefer – – Vor- und Nachteil zugleich. Vorteilhaft ist die annähernd senkrecht zur Mauerfläche stehende Einstrahlrichtung, nachteilig ist die erheblich größere Verschattung in Abhängigkeit von der Umgebung und der längere Weg der Strahlung durch die Atmosphäre, der die Einstrahlungsleistung mindert. Hieraus ergeben sich an den Architekten zwei Forderungen: Bereits beim Entwurf sollte darauf geachtet werden, dass der Baukörper eine gute Ausrichtung zur Sonne hat. Zugleich muss der Architekt beim Entwurf auch die mögliche Verschattung überprüfen119.
An die Gartenarchitekten eine Bitte: Vermeidet Nadelbäume vor vo r den Sonnenseiten von Gebäuden120. Sie verhindern die Einstrahlung der unmittelbaren Sonnenenergie. Laubbäume dagegen sind erwünscht, da sie im Herbst die Blätter abwerfen und daher Hauswände im Winter kaum verschattet werden.121 118 119
Die Ausführungen betrachten hier nur nur die Zustände in der Heizperiode. Heizperiode. Eine praktische Methode zur Feststellung der Verschattung Verschattung von Gebäuden stammt stammt von Dr.-Ing. Timo Born, Bauhausuniversität Weimar. DAB 3/2006.
120
Lärchen werfen im Herbst die Nadeln ab. Sie sind daher erwünscht.
121
Besonders vorteilhaft sind Hausberankungen Hausberankungen mit Wildem Wein (Parthenocissus tricuspidata) oder (quinquefolia). Sie bilden im Sommer einen hervorragenden Wärmeschutz, im Herbst eine letzte Far benpracht. Im Winter lassen sie sie die Sonneneinstrahlung zu.
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Die unmittelbare Sonneneinstrahlung kann an Gebäuden nur dann ungemindert angesetzt werden, wenn sie auf die Wände senkrecht auftrifft. In unseren Breiten findet das also niemals statt, es sei denn, wir würden von dem alten und bewährten Brauch, senkrechte Wände zu bauen, abweichen. Wir haben es also stets mit einem mehr oder weniger großen Einfallswinkel zu tun, der von der geografischen Ausrichtung der Wand und vom ständig wechselnden Sonnenstand abhängt. Die Einstrahlungsleistung ist, wenn es uns gelungen ist, den Einfallswinkel zu ermitteln, mit dessen Sinus zu multiplizieren. Mir ist es inzwischen gelungen, hierfür eine sehr einfache Berechnungsformel mit stündlichen Werten zu entwickeln, sodass es nun möglich ist, sehr genaue Werte der Einstrahlungsleistung zu berechnen. Diffuse Einstrahlung
Hierunter versteht man die Einstrahlungsmengen vom Himmel, die nicht unmittelbare solare Einstrahlung sind. Das gilt also ganzjährig - auch für die Nordseiten und außerdem bei bewölktem Himmel. Die diffuse Einstrahlung kann Tabellenwerten entnommen werden. Umgebungsstrahlung
Hierbei handelt es sich um die Einstrahlung aus der Umgebung des Gebäudes, also vorwiegend von in der Nachbarschaft stehenden Gebäuden und von der umgebenden Erdoberfläche. Diese Einstrahlungsart hat man in der offiziellen Bauphysik völlig übersehen, obwohl sie von beträchtlicher Größe ist. Sie kann recht gut nach dem Strahlungsgesetz von Stefan-Boltzmann errechnet werden. Die Oberflächentemperaturen der Erdoberfläche sind in einer Messreihe des Fraunhoferinstituts für Bauphysik als langjährige Mittelwerte erfasst worden. Von ganz großer Bedeutung ist, dass die Umgebungsstrahlung rund um die Uhr wirkt. Die Strahlungsleistung sinkt unter einen Wert von 270 W so gut wie nie ab. Damit ist die Umgebung die bedeutendste exogene Energielieferantin. Ihre völlige Missachtung in der offiziellen Bauphysik und in den Normen zeigt schlagend, wie schludrig unsere aus Steuermitteln bezahlten Wissenschaftler arbeiten. Die DIN 4108 und die EnEV
Im Nachfolgenden erkläre ich, weshalb die DIN 4108 als Planungsinstrument für die Einsparung von Heizenergie ungeeignet ist. Da die Energieeinsparverordnung (EnEV) nur einen rechnerischen Nachweis der Energieeinsparung nach der DIN 4108 anerkennt, beruht sie auf schwer fehlerhafter Grundlage. Die Schlussfolgerung hieraus ist, dass der Staat uns derzeit zwingt, wissenschaftlichen Unfug zu betreiben, entsprechend unsinnige Maßnahmen zu planen, das Geld unserer Bauherren nutzlos zu verschleudern und dann – wenn die dies früher oder später wegen des ausgebliebenen Energieeinsparungseffektes merken – uns Architekten mit Schadensersatzklagen überziehen, die uns unweigerlich wirtschaftlich ruinieren. Hierzu muss man als Architekt wissen, dass wir bei Baumassnahmen, die einem technisch-wirtschaftlichen Zweck dienen, nicht etwa nur die Planung und Durchführung schulden, sondern weit darüber hinaus auch den technischen Erfolg . Tritt dieser nicht ein, werden wir von jedem Gericht in Deutschland
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bereits nach dem Beweis des „ersten Anscheins“ oder – wie die Rechtsgelehrten sagen, „prima facie“ - verurteilt werden. Nun geht bereits das Gerücht durchs Land, dass WDVS noch niemals zu einem signifikanten Minderverbrauch an Heizenergie geführt haben. Meine eigenen Bemühungen, unmittelbar von der Dämmstoffindustrie Nachweise über eingetretene Energieeinsparungen zu bekommen, waren bisher vollkommen erfolglos. Auch in den einschlägigen Werbeunterlagen für WDVS werden Sie niemals präzise Angaben über eine – gar planbare – Energieeinsparung vorfinden. Werden Verkäufer von WDVS aufgefordert, diesbezügliche Aussagen zu machen oder gar Versprechungen abzugeben, werden diese stets ausweichende Auskünfte geben. Eine der beliebtesten faulen Ausreden läuft darauf hinaus, „dass man leider, leider auf das „Nutzerverhalten “ keinen Einfluss hätte, dieses aber meistens – nahezu böswillig – dem Ziel der Energieeinsparung zuwiderlaufe“. Es gibt einen Bundesfachverband für die Hersteller von WDVS mit Sitz in Baden-Baden. Dessen Bundesgeschäftsführer lernte ich im November 2004 bei einer Veranstaltung der Fraunhofergesellschaft, Institut für Bauphysik kennen. In einer Diskussionsrunde erklärte ich ihm, dass ein risikoscheuer Architekt kaum ein WDVS anraten könne, wenn er seinem Bauherrn nicht einen Erfolg garantieren könne, der in diesem Falle ja nur in Form einer zugesicherten Energieeinsparung bestehen könne. Leider bekäme man aber derartige Garantien weder vom Hersteller noch von den Verarbeitern von WDVS. Auch hier erhielt die Diskussionsrunde nur ausweichende Erklärungen. In einer Pause trat jedoch der Bundesgeschäftsführer an mich heran und teilte mir mit, dass er über „tausende von Erfolgsberichten“ verfügen würde, die er mir geben könne. Ich bat ihn darum. Allerdings wäre ich nur an solchen Unterlagen interessiert, bei denen ausschließlich die Wirkung von WDVS nachgewiesen sei. Nach etlichen Wochen und einem Erinnerungsschreiben erhielt ich dann tatsächlich einen prall gefüllten Umschlag. Ich war gespannt und auch besorgt, da ankündigungsgemäss ja nun meine eigenen Thesen unmittelbar vor dem Untergang standen. Der Umschlag enthielt eine Sammlung von grafisch gut gemachten Prospekten, in denen jedoch nichts über die spezifische Energieeinsparung durch WDVS stand. Dem Ganzen lag außerdem ein Brief des Bundesgeschäftsführers bei, dessen wichtigste Passage ich hier wörtlich zitiere, um mich nicht dem Vorwurf der Fehlinterpretation auszusetzen: …„Mit den tausendfachen Belegen meinte ich, dass mehr als 600.000.000 qm
funktionierende WDV-Systeme mehr als genug Beweis sind. Selten aber werden energetische Sanierungsmassnahmen im Einzelverfahren angewendet. Dagegen sprechen sowohl die EnEV als auch beispielsweise die Förderprogramme der KfW, die nur Koppelungsmassnahmen berücksichtigen“...
Soso! Die WDVS – Industrie kann also keine Belege darüber vorlegen, dass allein auf ihre Technik gegründete Maßnahmen zur Energieeinsparung beitragen. Stattdessen verfügt sie nur über Berechnungen, die auf einem fehlerhaften bauphysikalischen Modell gegründet sind. Was soll man dazu sagen?
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Soll ich wirklich glauben, dass in den dreißig Jahren, in denen nun schon WDVS verkauft und gebaut werden, noch niemals messtechnische Untersuchungen vorgenommen worden sind? Soviel Schlamperei traue ich der WDVS-Industrie eigentlich nicht zu. Daher vermute ich wohl zu Recht, dass Messergebnisse vorliegen, die jedoch für die WDVS enttäuschend sind und daher in irgendwelchen Tresoren schlummern. So erging es ja der berühmten GEWOS Studie, die nicht mehr zu bekommen ist. Das Ergebnis dieser Studie ist allerdings bekannt. Bei den dort gemessenen Gebäuden kam es nämlich nach Montage der WDVS zu einer Erhöhung des Heizenergieverbrauchs um 17%. In einer Fachzeitschrift wurde das veröffentlicht. (DBZ 1993) Da war natürlich die Aufregung groß. Um die WDVS-Technik vor dem Zusammenbruch zu retten, musste daher sofort ein Gegengutachten her. Das wurde dann auch erstellt. Der Gutachter122 ermittelte sodann, dass das Ergebnis nicht richtig sein könne. Er hatte dies nach den Berechnungsverfahren, die sich heute in der EnEV finden, ermittelt123. Gemessen hat er allerdings nichts. Natürlich wurde bei diesem Gutachten nicht der eigentlich nahe liegende Gedanke erwogen, dass in der Physik immer dann, wenn Messungen und Berechnungen nicht zusammenpassen, möglicherweise das Berechnungsverfahren falsch sein könne. Eine solche Überlegung hätte gutem altem wissenschaftlichen Brauch entsprochen. So aber zog man die Korf´sche Verfahrensweise vor, die Teil der deutschen Literaturgeschichte geworden ist und da lautet: „Eingehüllt in feuchte Tücher
prüft er die Gesetzesbücher, um zu schließen messerscharf,
dass nicht sein kann, was nicht sein darf“. 124
Wie wollte man damals den Nachweis der Wirksamkeit von WDVS retten? Da waren einerseits Messergebnisse, die ordentlich und sauber gewonnen waren. Außerdem lagen langjährig gewonnene Aufzeichnungen über den früheren Energieverbrauch vor. Daraus ergab sich eindeutig, dass bei Gebäuden, die nachträglich mit WDVS ausgerüstet worden waren, der Heizenergieaufwand beträchtlich gestiegen war. Eine Nachkontrolle hätte sich nun darauf beschränken können, dass man die Messmethoden und die Auswertungen auf Stichhaltigkeit hin kontrolliert hätte. Das hat man aber unterlassen. Offenbar war an den Messmethoden nichts auszusetzen. Im Gegengutachten wurde stattdessen nicht anderes gemacht, als dass eine Berechnung nach DIN 4108 und nach den der EnEV dienenden Berechnungsweisen durchgeführt worden ist. Ob das diesen 122 123
124
Prof.Dr.-Ing. Gerd Hauser in DBZ 1993 Die Beweisführung erfolgte durch das Verfahren, das bewiesen werden sollte. Ein derart gewonnener Beweis ist selbstverständlich wertlos und zeigt nur, dass da nicht einmal die Methode einer wissenschaftlichen Beweisführung beherrscht wird. Aus Christian Morgenstern, Galgenlieder
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Berechnungsverfahren zugrunde liegende bauphysikalische Modell richtig oder falsch war, wurde nicht untersucht. Das Modell wurde dogmenartig als fehlerlos unterstellt. Da aber dieses Modell offenkundig – wie auch hier gezeigt wird – fehlerhaft ist, konnten natürlich auch die darauf gegründeten Berechnungsergebnisse nicht richtiger sein. Spätestens dann, als die gewaltigen Unterschiede zwischen Messergebnissen und Berechnungsergebnissen sichtbar wurden, hätte es einer wissenschaftlich sauberen Arbeitsweise entsprochen, die Berechnungsverfahren auf Stichhaltigkeit hin zu überprüfen. Im Zweifel kommt nämlich einer Messung eine höhere Zuverlässigkeit als einer Berechnung zu 125. Genügend Hinweise lagen dem Gutachter aus den Reihen der Kritiker auch vor, sodass er hier auch nicht beim Punkte Null hätte anfangen müssen. Eine saubere wissenschaftliche Vorgehensweise hätte also zumindest Zweifel am bisherigen Werk auslösen müssen. Die Wissenschaftsgeschichte zeigt, dass sehr oft einer neuen Erkenntnis der Zweifel am Bisherigen vorangeht. Ein Hintertürchen hat der Gutachter sich jedoch schlauerweise offen gehalten. Er wies nämlich darauf hin, dass klimatische Einflüsse und das Nutzerverhalten in seinem Gutachten nicht berücksichtigt werden konnten. Warum eigentlich nicht? Wer hindert denn das Fraunhoferinstitut daran, 300 Datenlogger zu kaufen und sie in Wohnungen unterschiedlicher Größe und mit unterschiedlicher Bewohnerstruktur aufzuhängen? Nach längstens zwei Heizperioden hätte man dann aussagekräftige Daten zum Nutzerverhalten. Und – wer hat eigentlich verboten, die sehr zuverlässigen und nahezu zahllosen Wetterdaten in die energetischen Berechnungen einzuführen? Ich meine, dass jemand, der mit dem Anspruch Wissenschaftler zu sein und aus Steuermitteln seinen Lebensunterhalt bestreitet, die Pflicht hat, dann wenn er auf ein – wie hier – messtechnisches Problem stößt, dieses auch zu bearbeiten. Ein „richtiger “ Wissenschaftler kann sich nicht damit begnügen, auf ein Problem hinzuweisen. Von Wissenschaftlern muss man mehr erwarten können, als die Verkündung von Binsenweisheiten. Stößt ein Wissenschaftler auf ein Problem, hat er die verdammte Pflicht und Schuldigkeit, die Ärmel hochzukrempeln und zu forschen. So wie die Dinge heute liegen, die Unduldsamkeit der Urheber der EnEV im Umgang mit den Kritikern, die bis zur Verunglimpfung hinreicht, die Verweigerung der Auseinandersetzung mit der wissenschaftlichen Öffentlichkeit und nicht zuletzt die unübersehbare wirtschaftliche Interessenlage sind die einzigen Erklärungen dafür, dass man im Bereich der EnEV den Boden der wissenschaftlich sauberen Arbeitsweise verlassen hat. Nur so ist die Absurdität erklärbar, dass Messergebnisse eines anerkannten Instituts deshalb für falsch erklärt werden, weil sie mit Berechnungen im Widerspruch stehen.
125
In allen anderen wissenschaftlich betriebenen Forschungszweigen wird immer eine auf Berechnungen aufgebaute These. die durch Messergebnisse nicht bestätigt wird, verworfen. In der sog. „Bauphysik“ scheint das nicht zu gelten.
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Es spricht also vieles dafür, dass auch bei der WDVS-Industrie Messergebnisse vorliegen, die allerdings die Wirkungslosigkeit von WDVS zeigen. Und dennoch werden WDVS mit riesigem Werbeaufwand vertrieben und gebaut. Das Ganze wird inzwischen durch die EnEV erzwungen. Wer sich verweigert, riskiert ein Bußgeldverfahren, das sich gewaschen hat und außerdem den Verlust von Zuschüssen. Die Umlage als Wohnraummodernisierung auf die Mieter kann man dann auch vergessen. Zugeschlagen wird außerdem mit der Moralkeule, da der Aufwand ja weniger der Verbilligung der Wohnkosten dienen soll sondern der Rettung der Menschheit vor der Klimakatastrophe. Ein gigantischer Erfolg aus dem Zusammenwirken der Werbefachleute, der Industrielobby und einer drittmittelfianzierten Pseudoforschung und nicht zuletzt einer spendenbedürftigen Parteienlandschaft. Betrachtet man das unter rechtlichen Gesichtspunkten, haben wir einen Tatbestand, bei dem eine ganze Industrie mit staatlicher Unterstützung eine Technik vertreibt, von der sie genau weiß, dass die zugesagten Eigenschaften fehlen. Sollte das ein Staatsanwalt zu Ohren bekommen, muss er von Amts wegen ein Ermittlungsverfahren einleiten, bei dem zu überprüfen wäre, ob hier nicht der Straftatbestand des Betrugs (§ 263 StGB) vorliegt. Ich jedenfalls möchte nicht in der Haut der WDVS-Leute stecken. Unter vertragsrechtlichen Gesichtpunkten haben wir es außerdem dann mit einem arglistig verschwiegenen Mangel zu tun. Da verjähren aber Gewährleistungsansprüche und Schadensersatzforderungen erst nach längeren Zeiträumen. Von Bedeutung ist hierbei, wann der Geschädigte erstmals vom Bestehen des Mangels erfährt. Ob die einschlägige Industrie über die Mittel verfügt, das alles zu finanzieren, möchte ich doch stark bezweifeln. Da drohen also riesige Pleiten. Dennoch werden da keine Arbeitsplätze verloren gehen. Denn das Abkratzen und Entsorgen von nutzlosen WDVS macht mindestens genau soviel Arbeit wie die seinerzeitige Montage. Ich selbst stehe gelegentlich bei Vorträgen vor Kollegen vor einem eigenartigem Problem: Die meisten von ihnen sind alterprobte Baumenschen, die ihre Erfahrungen gesammelt haben, dazu neigen, frühere Konstruktionen zu wiederholen, wenn sie sich bewährt haben und im Übrigen stets die gleichen Planungsmethoden anwenden. Somit führen sie auch bei ihren Bauanträgen die altgewohnten U-Wert-Berechnungen vor, um nachzuweisen, dass sie energieeinsparend geplant haben. Neuerdings füttern sie auch Computerprogramme, womit sie sogar monatsweise den Nachweis der energieeinsparenden Bauweise führen. Die allermeisten Kollegen haben auch ein unerschütterliches Vertrauen in ihre Berechnungen. Dabei übersehen sie etwas Entscheidendes: Die Berechnungen führen nur zu einem U-Wert und zu sonst nichts. Der U-Wert zeigt aber nur eine Materialeigenschaft. Die zu den Heizkosten führenden energetischen Prozesse bleiben dabei unbearbeitet. Daher stoße ich bei einem Teil meiner Kollegen stets auf spontane Ablehnung meiner Thesen. Selbst wenn es mir an einem guten Tag gelungen ist, alles schlüssig und einsichtig vorzutragen, bekomme ich spätestens in der
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Diskussionsrunde zu hören, dass es doch nicht sein könne, dass eine ganze Norm, eine komplette Verordnung und alle darauf gegründeten Techniken falsch seien und nur ich es besser wüsste. Da gibt es das Phänomen der spontanen Ablehnung einer These, wenn sie dem Altgewohnten widerspricht – nicht argumentativ sondern nur gefühlsmäßig – und weil es Unbehagen auslöst, wenn man bei Zustimmung auch zugeben müsste, dass man geirrt hat und vielleicht sogar jahrelang etwas Unnützes geplant hat. Daher meine Bitte an die Kollegen: Es ist nichts Neues in der Wissenschaftsgeschichte, dass Einzelne ein althergebrachtes Wissenschaftsgebäude zum Einsturz gebracht haben. Vieles deutet sogar darauf hin, dass das eher die Regel ist. Die Wahrheit einer These ist keine Sache der Mehrheitsentscheidung 126 und schon gar nicht des „gesunden Volksempfindens“. Setzen Sie sich also mit meinen Thesen ernsthaft auseinander. Ihr Risiko ist gering. Entweder werden Sie sich Ihrer bisherigen Überzeugung noch sicherer oder Sie denken – vielleicht erstmalig in Ihrem Berufsleben – über den Sinn einer Norm und einer Verordnung nach und verbessern hierdurch die Qualität Ihrer Planung. Beides ist von Vorteil. Der eigentliche Risikoträger bin ich, der das Wagnis unternimmt, eine eigene Überzeugung zu veröffentlichen, obwohl sie eine Minderheitenmeinung darstellt und daher todsicher zum Gegenstand persönlicher Verunglimpfung werden wird. Die DIN 4108
In ihrer ursprünglichen Fassung und Zielsetzung war die DIN 4108 (Wärmeschutz im Hochbau) aus den fünfziger Jahren des vorigen Jahrhunderts sinnvoll und auch nützlich. Um was ging es dabei? Die zunehmende Verwendung des Baustoffs Beton im allgemeinen Hochbau für Stahlbetondecken statt bisher Balkendecken, auch für Fensterstürze, Balkonplatten und ähnliche Konstruktionen führte zu signifikanten Tauwasserschäden an den Gebäudeinnenflächen. Wegen der guten Wärmeleitung von Beton kühlten diese Bauteile rasch aus, sodass es alsbald zu Tauwasserschäden auf den Innenflächen kam – gefolgt von Schwarzschimmelbildung. Noch schlimmer war das bei Außenwänden, die völlig aus Beton hergestellt waren. Da man die Wirkung von Dämmstoffen bereits kannte, es im gedämmten Material zu einem Energiestau kam, war es sehr rasch Vorschrift, derartige Bauteile mit Dämmstoffen zu verkleiden. Uns Architekturstudenten wurde damals gesagt, dass prinzipiell alle Betonflächen in einer Außenwand zu dämmen seien. Das übliche Material hierfür waren Holzwolleleichtbauplatten, unter dem Namen „Heraklith“ schon damals bekannt, das mit 2 – 3 cm Stärke eingebaut wurde. Die Erfahrung zeigte, dass dies völlig zur Verhinderung der Tauwasserbildung ausreichte. Das war so üblich, dass die Poliere auch dann Heraklith einbauen ließen, wenn es in den Werkzeichnungen gar nicht enthalten war. Die Vorderkanten von Stahlbetondecken wurden so 126
Hierzu der neuere Volksmund: „Millionen Fliegen können nicht irren. Daher fresst Scheiße!“
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immer verkleidet. Später zeigte sich, dass dort im Fassadenverputz Haarrisse entstanden sind, eine Folge dessen, dass sich die Putzflächen vor dem Heraklith stärker erwärmten, wenn die Sonne darauf schien. Diese Haarrisse wurden damit kaschiert, dass man diese Bereiche farblich absetzte, womit die „Bauchbindenarchitektur“ erfunden war. Später wurde es üblich, auch Unterseiten von Kellerdecken mit Heraklith zu verkleiden, da man festgestellt hatte, dass es auch unter den Estrichen darüber zu Tauwasserbildung kam. Man legte die Heraklithplatten auf die Betonschalung und drückte spezielle Drahtanker hinein, die sich dann mit dem Beton verbunden haben. Mit derartigen Maßnahmen waren die Anforderungen der DIN 4108 auch ausreichend erfüllt. Mit der Einsparung von Heizenergie hatte das alles nichts zu tun. Die war bis in die Mitte der sechziger Jahre überhaupt kein Thema. Es ging nur um die Verhinderung von Tauwasserbildung auf Wandoberflächen. Die mathematische Grundlage dieser Konstruktionen war das Fourier´sche 127 Gesetz über die Wärmeleitung. Dieses Gesetz sagt aus, dass das Maß der Wärmeleitung proportional zur Wärmeleitfähigkeit, zum Temperaturgefälle und zur Stoffdicke errechnet werden kann. Aus anderen Forschungen war Fourier gewohnt, komplizierte Vorgänge in ihre Einzelbestandteile zu zerlegen, diese sodann zu berechnen und die Ergebnisse wieder zu addieren 128. Genau so ging er auch vor, als es darum ging, mehrschichtige Bauteile im Hinblick auf Wärmeleitung zu untersuchen. Der berühmte U-Wert – früher die noch berühmtere k-Zahl – ist daher nichts anderes als die Addition von Einzelwerten, die für jede Schicht gesondert errechnet werden. Allerdings wusste Fourier über seinen Forschungsgegenstand nichts. Zu seiner Zeit galt noch die Phlogistonlehre, die besagte, dass Wärme eine diskrete Flüssigkeit sei, die durch Stoffe hindurchströmen würde. Wärme war also etwas Stoffliches. Aus dieser Zeit stammt auch der Begriff „Wärmestrom“. Die heute gültige Definition von Wärme als Bewegungsenergie schwingender Teilchen ist ein Kind des späten 19.Jhdts. Die Überlegungen Fouriers müssen daher kritisch unter dem Gesichtspunkt gesehen werden, dass ihnen eine falsche Vorstellung über „Wärme“ zugrunde liegt. Die hieraus abgeleiteten Wärmeleitungsgleichungen sind starke Vereinfachungen eines in Wirklichkeit sehr komplexen Geschehens. Der zeitliche Ablauf der Wärmeleitung war in den fourier´schen Gleichungen nicht berücksichtigt. Im Übrigen funktionieren diese Gleichungen in ihrer heutigen Form auch nur für den stationären Zustand, also die ständige Gleichheit aller Randbedingungen. Dennoch kann gesagt werden: Für die 127 128
Jean Baptiste Josèphe de Fourier, 1768 – 1830, franz. Physiker
Siehe auch die Fourier-Analyse und die Fourier-Synthese
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damalige Fassung der DIN 4108 war die Berechnung der Wärmeleitung in festen Stoffen ausreichend genau. Vor allem konnte man auch ausrechnen, zu welcher Temperaturerhöhung es auf Innenwandoberflächen kam, wenn man Dämmstoffe anordnete. Da man bereits wusste, wann es bei bestimmten Wandtemperaturen bei bestimmten Raumlufttemperaturen und relativen Luftfeuchten zum Tauwasserausfall kam, konnte man somit für jeden beliebigen Wandaufbau ausrechnen, ob und wie viel man zu dämmen hatte. Bereits in den späten fünfziger Jahren dachte man auch schon darüber nach, dass es nicht nur Wärmeleitung innerhalb der Wand gab sondern auch einen Energieübergang von der Raumluft in die Wand und ebenso auch von der Außenwandoberfläche ins Freie. Auch hier ist der Übertragungsmechanismus wie in festen Stoffen. Energiehaltige Luftteilchen führen elastische Stöße gegen die Wand aus und ebenso kommt es auch zu elastischen Stößen zwischen Außenwandoberfläche mit den Teilchen der Umgebungsluft. Hier waren die Ereignisse jedoch sehr kompliziert, da strömende Luft sich der Berechnung weitgehend entzieht. Bis heute gibt es noch kein zuverlässiges rechnerisches Verfahren, mit dem der Energieübergang zwischen Luft und festen Stoffen sicher berechnet werden kann. Da dies so ist, bezeichnet man diesen Vorgang auch nicht mehr als Wärmeleitung sondern als Konvektion . In der Technik wird hierbei stets das praktische Experiment angewendet. Im Bauwesen behilft man sich mit Faustformeln, um wenigsten grobe Anhaltswerte zu erhalten. Die Schöpfer der DIN 4108 wollten die Konvektion an den Oberflächen von Wänden wenigstens nicht ganz vernachlässigen. Daher legten sie willkürliche sog. „Wärmeübergangszahlen“ fest, die als konstante Größen vollkommen unabhängig von den tatsächlichen Ereignissen in das Rechenergebnis eingefügt werden müssen. Der Wert für den Wärmeübergang „innen“ (Rsi) ist so klein bemessen, dass er eigentlich weggelassen werden könnte. Anders ist es mit dem Wärmeübergang „außen“(Rse), der pauschal mit 25 W/m² verordnet ist. Dieser Wert ist offenkundig falsch, weil, weil bei instationären Vorgängen die Einführung von konstanten Werten immer falsch ist. Darüber später noch mehr. Ich meine, dass es das Beste wäre, die Norm von den Wärmeübergangszahlen zu befreien, weil sie nämlich in der DIN 4108 nichts zu suchen haben. Würde man die Norm auf die Berechnung der Wärmeleitung im festen Stoff reduzieren, wäre sie nach wie vor ein nützliches Instrument zur Untersuchung der Stofftemperaturen und der Lage der Tauzone in allen Schichten, in denen Wärmeleitungsvorgänge überwiegen 129. In den Bereichen die nahe an den Außenflächen liegen, werden die Wärmeleitungsvorgänge jedoch von anderen physikalischen Vorgängen überlagert, sodass dort die fourier´sche Wärmeleitungsgleichung – zumindest an Bauwerken – versagt und uns in die
129
Damit wäre die Berechnung des Wärmestroms auch genauer, da sich die einzusetzende Temperaturdifferenz aus den Oberflächentemperaturen der untersuchten Konstruktion ergibt.
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Irre führt. Die fourier´sche Gleichung gilt nur für Wärmeleitung in festen Stoffen. Zu einem annähernd richtigen Ergebnis führt sie bei der Annahme des stationären Zustands bei stets gleichen Randbedingungen Nach der Aufheizungshase und vor der Auskühlungsphase. Solche Bedingungen herrschen aber nur im Labor. Nicht anwendbar ist sie für den Energieübergang aus oder in die Umgebungsluft. Überhaupt nicht berücksichtigt sind Strahlungsvorgänge, die – wie wir schon gesehen haben – an Außenwänden das energetische Geschehen beherrschen. Zweifellos kannte auch Fourier schon das Phänomen, dass Sonnenstrahlung zur Erwärmung führte. Ebenso wusste er empirisch, dass in der Nähe eines Ofens durch die Luft hindurch Wärme übertragen wurde. Was aber physikalisch dahinter stand, wusste er nicht. Daher hat er das auch nicht behandelt. Zu seiner Zeit war ja nicht einmal geklärt, was Energie ist. Die nicht zu leugnende Erwärmung durch Sonnenstrahlen erklärte man durch das Vorhandensein eines „Äthers“, der den Wärmetransport bewirkte. Erst Albert Einstein hat zu Anfang des 20.Jhdts. die Äthertheorie aus der Welt geschafft. Die fourier´sche Gleichung, die unveränderter Bestandteil der DIN 4108 geworden ist, behandelt daher nur einen kleinen Teilbereich des energetischen Geschehens, ist aber weit davon entfernt, diese umfassend beschreiben zu können. In jedem Falle versagt sie völlig bei der Beschreibung von Energieübergängen an Wandoberflächen. Daran ändern auch die in der Norm enthaltenen Wärmeübergangszahlen nichts. Diese sind willkürliche und falsche Festlegungen. Die Wärmeübergangszahl Rsi nach DIN 4108
Der Wert ist als konstante Größe mit 7,7 W/m²K angegeben. Er soll den Wärmeübergang von Raumluft in die Wand beschreiben. Da der Temperaturunterschied bei gleichmäßig beheizten Räumen zwischen Raumluft und Wandoberfläche gering ist, wird K in aller Regel mit dem Wert (1) angegeben, sodass es bei 7,7 W/m² bleibt. Bei Wandheizungstechniken, z.B. bei Temperieranlagen wird der Wert negativ, da die Wand etwas wärmer als die Raumluft ist. In diesem Falle haben wir es mit dem Kuriosum zu tun, dass wir in ein und derselben Wand zwei Richtungen des Wärmestroms haben. Wie gewohnt, gibt es den zur kälteren Seite, im Winter also nach außen gerichteten Wärmestrom, jedoch aber auch einen Wärmestrom, der zum Raum hin gerichtet ist. Bereits hier versagen die Berechnungsweisen nach DIN 4108, da diese nur eine Richtung des Wärmestroms kennen. Wie später noch beim Thema „Gebäudeheizung“ ausführlich gezeigt wird, beträgt die optimale Oberflächentemperatur von Umschließungsflächen etwa 20 - 21 °C. Berechnet man nach Stefan-Boltzmann die damit verbundene Strahlungsleistung, ergibt sich ein Wert von etwa 390 W/m². Das ist die Energie, die durch Strahlung permanent von der Wandoberfläche emittiert wird und durch nichts unterdrückt werden kann. Die Norm bietet uns hierfür den
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Wert Rsi mit etwa 7,7 W/m². Allein dies zeigt, dass die DIN 4108 zur Beschreibung der Energieverlagerung außerhalb des festen Materials ungeeignet ist. Die Wärmeübergangszahl Rse nach DIN 4108
Auch hier will uns die Norm einreden, dass mit diesem Wert, der mit 25 W/m² pauschal anzunehmen ist, der Energieübergang von der Wandoberfläche in die Umgebung ausreichend beschrieben sei. Nicht einmal der konvektive Energieübergang wird hierbei zutreffend erfasst. Dennoch glauben die Anwender der Norm, dass der Einbau dieses Werts in die Berechnung des U-Werts richtig sei. Tatsächlich ist dieser Wert aber nur vorschriftsmäßig und sonst nichts. Der konvektive Energieübergang wird ganz überwiegend durch die Windgeschwindigkeit, weniger durch die Lufttemperatur bestimmt. Bereits bei einem Wind von etwa 6 m/s steigt der konvektive Energieabtrag auf Werte bis zu 200 W/m² an. Eine Außenwand im Winter mit einer Oberflächentemperatur von etwa 3 °C130 emittiert strahlend etwa 300 W/m². Auch dies völlig autonom und unabhängig von den Umgebungsbedingungen. Auch hier wird die Fehlerhaftigkeit von (αa) sofort mühelos erkennbar. Noch unsinniger stellt sich der Wert Rse dar, wenn auf der Außenwand exogener Energieeintrag stattfindet. Der kann auf einer Südwand die Größe von 650 W/m² annehmen. Die EnEV, die Folge eines Denkfehlers
Wir haben uns nun mit den meisten physikalischen Ereignissen soweit vertraut gemacht, dass es nicht mehr schwer sein sollte, meine These, wonach die EnEV auf einem Denkfehler beruht und daher das Ziel der Einsparung von Heizenergie verfehlt, nachzuvollziehen. Ich warne jedoch meine Leser: Sollten Sie meinen Thesen zustimmen, sind sie bis auf weiteres in einer Außenseiterposition. Sie werden Schwierigkeiten mit Baubehörden bekommen. Sie werden staunen, dass es auch im 21.Jhdt. wahre Glaubenskriege über einen naturwissenschaftlichen Gegenstand geben kann. Da hat sich seit Galileis Zeiten nichts geändert. Es ist ja auch ein starkes Stück, dass es noch Menschen gibt, die die Autorität des Staates und die Unfehlbarkeit von Normenausschüssen bei der Herausgabe von Verordnungen bezweifeln. Bevor wir daher wieder bauphysikalisch werden, ein klein wenig Politik, die mit unserem Thema eng verknüpft ist. Es wäre blauäugig, das außer Acht zu lassen. Schnurstracks landen wir also bei einem gesellschaftspolitischen Zustand, der sich beileibe nicht nur auf die Bauphysik beschränkt. Insgesamt geht es um Geld, Einfluss und Macht, die sich gegenseitig bedingen. Da gibt es die Industrie, der jedes Mittel recht ist, wenn es um Gewinne geht, da gibt es die politische Ebene, die leider gegen die unzähligen Spielarten der Korruption nicht immun ist. Inzwischen müssen wir auch damit leben, dass Wirtschaftspolitik nicht auf der politischen Ebene sondern von der Industrie 130
Eine derartige Temperatur stellt einen guten Mittelwert für winterliche Verhältnisse dar.
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betrieben wird, was im Grundsatz durchaus begrüßenswert wäre, wenn der Einfluss der Industrie nicht soweit ginge, dass sie die Politik als willfähriges Werkzeug zur Durchsetzung eigener Interessen nutzen würde. Hierbei wird dann regelmäßig das Gemeinwohl geopfert. Irgendwo dazwischen steht die Wissenschaft, die das Ideal der Zweckfreiheit aufgegeben hat. Auch sie ist käuflich geworden 131. Da geht es um „Drittmittel“, die die Industrie hergibt und ohne die die meisten Forschungsinstitute nicht existenzfähig wären. Von uns Normalbürgern aber kann nicht der Glaube gefordert werden, dass die finanziellen Wohltaten, die der Wissenschaft zufließen, von Gutmenschen und absichtslos gegeben werden. Natürlich werden da Gegenleistungen verlangt und erbracht. Wie anders ist am Beispiel der EnEV sonst zu erklären, dass in ihrem ersten Abschnitt, bei dem es um den baulichen Wärmeschutz geht, nicht ein einziges Mal die Verwendung von Dämmstoffen verlangt wird132, dennoch das Ziel der EnEV ausschließlich durch den exzessiven Verbrauch von Dämmstoffen erreicht werden kann.133 Die EnEV, die insofern vermummt daherkommt, ist der sichtbare Beweis für eine einseitige Begünstigung der Dämmstoffindustrie durch den Staat.134 Damit hierbei nichts schief geht, hat man vorgeschrieben, dass solare Einstrahlungsgewinne auf gedämmte Maueroberflächen nicht gerechnet werden dürfen, obwohl jedes kleine Kind weiß, wie warm auch im Winter eine Wandoberfläche werden kann, wenn sie von der Sonne beschienen wird. In diesem Berechnungsverbot steckt jedoch auch das Eingeständnis dafür, dass außen angebrachte Dämmstoffe – die als selbstverständlich vorausgesetzt werden – die solaren Einstrahlungsgewinne zunichte machen. Auf der gleichen Begünstigungslinie liegt das Verbot, den Einfluss der Wärmespeicherfähigkeit zu berechnen. Allen Ernstes wird behauptet, dass energetisch kein Unterschied zwischen einer Leichtkonstruktion, die aus dünnen Häuten und jeder Menge Dämmstoff besteht, und einer ordentlichen Ziegelmauer gegeben sei. 135 Schließlich beging man den Kardinalfehler, Wärmeleitung betragsmäßig mit dem Energieverbrauch gleichzusetzen. Folgendes Modell wurde für gültig erklärt, das an Naivität kaum überbietbar ist: „Ein Gebäude sei ein Hohlraum, der von wärmeleitenden Hüllen begrenzt ist. Im
Hohlraum befände sich eine Wärmequelle. Diese Wärmequelle erwärme die Luft im Hohlraum. Die so in der Luft befindliche Energie habe nur noch ein Ziel – so 131
132
Daher regt sich auch kein Widerstand gegen die unsinnige Treibhausthese, die ja die eigentliche Grundlage der EnEV ist. Ausnahme: im Drempelbereich von ausgebauten Dächern werden Dämmstoffe verlangt.
133
Dass – wie ich noch zeigen werde – das Ziel der Energieeinsparung durch dämmstofflose Konstruktionen erreicht werden kann, haben allerdings die Urheber der EnEV nicht gewusst.
134 135
Wir haben es also nebenher auch noch mit dem Straftatbestand der Begünstigung zu tun.
Siehe auch unter Fachtexten des Verfassers das Kapitel 34.
75 schnell wie möglich durch die Gebäudehülle in die Umgebung zu verschwinden. Die verschwundene Energie müsse durch die Wärmequelle ersetzt werden. So entstünde also der Heizenergieverbrauch.“
Sodann hat man neue Fachausdrücke erfunden: Zum einen die „Transmissionswärme“, zum anderen den „Transmissionswärmeverlust“. Letzteren gälte es, so klein wie möglich zuhalten. Damit der Planer streng an dieses Modell gebunden bleibt und keinesfalls in die Versuchung gerät, es zu bezweifeln, zwingt die Verordnung zur Berechnung nur nach diesem Modell. Alternativen sind streng verboten, selbst dann, wenn sie sich auf sicherer wissenschaftlicher Grundlage bewegen. Zur Zufriedenheit der Dämmstoffindustrie hat man sehr geringe U-Werte vorgeschrieben, die fast in jedem einzelnen Fall zur Verwendung von Dämmstoff zwingen. Damit jedoch nicht genug: Die Dämmstoffe werden zu solchen Dicken hochgerechnet, dass rechnerisch eigentlich gar keine nennenswerte Energie mehr durch Wände hindurchgehen kann. Es bleiben somit nur noch „Lüftungswärmeverluste“ übrig. Auch dieses Problem wurde im Verordnungsweg ganz konsequent gelöst. Nunmehr müssen Gebäude luftdicht sein. Dass dabei der notwendige Luftaustausch zu kurz kommt, interessiert den Verordnungsgeber nicht. Er kann ja nichts dafür, dass der Mensch sauerstoffhaltige Luft atmen muss. Soll der sich doch Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung einbauen. Wer sich das nicht leisten kann, soll „stoßlüften“. Das ist die Lüftungsart der Armen. Was dabei allerdings gespart werden soll, bleibt unklar. Ob Stoßlüftung oder dauernde Spaltlüftung – an der vernünftigen Vorschrift eines 0,6-fachen Luftwechsels je Stunde kommt auch die EnEV nicht vorbei. Energetisch wirken sich beide Lüftungsarten gleich aus. Nur frage ich mich, ob der Verordnungsgeber allen Ernstes meint, dass die geplagten Menschen nun auch ihre Nachtruhe stündlich zum Stoßlüften unterbrechen sollen. Sei es wie es sei: Die Gleichsetzung von berechneter Transmissionswärme mit Heizenergieaufwand ist ein riesiger Denkfehler, der auch leicht durchschaubar ist. Möglicherweise ist das auch gar kein Denkfehler sondern ein absichtlich verbreiteter Unsinn. Ein neues Modell zum Heizenergieaufwand
Spätestens seit der empirischen Erkenntnis, dass ein bekömmliches Raumklima temperierte Umgebungsflächen benötigt, da nur diese ein richtiges Strahlungsklima schaffen können, ist der Energieeintrag in die Hüllflächen und die damit verbundene Wärmeleitung nicht mehr Energieverlust sondern Teil des Beheizungsvorgangs, plan- und absichtsvoll gewollt. Die Verlagerung der vom Wärmebereiter erzeugten Energie in die Wand hinein ist vor allem in der Aufheizphase mit hohem Energieaufwand verbunden, systematisch aber genau das Gleiche wie der Vorgang im Heizkessel oder am Heizkörper. Findet diese Energieverlagerung nicht statt, kann es auch zu keinem vernünftigen Raumklima kommen. Tatsächlich findet durch Wärmeleitung innerhalb der
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Wand kein Energieverlust statt sondern eine plan- und absichtsvolle Erwärmung der Wand. Energie, die noch im Bauwerk gespeichert ist, ist nämlich noch da und nützlich und vor allem nicht „verloren“. Wenn das aber – wie augenscheinlich – so und nicht anders ist, wir aber vor der Tatsache stehen, dass im Winter ein Gebäude „durchgeheizt“ werden muss, muss es auch einen Ort des Energieverlustes geben, trotz des Energieerhaltungssatzes. Da wir an Naturgesetzen nicht rütteln wollen, müssen wir den Begriff „Energieverlust“ neu definieren. Verlorene Energie ist daher die Energie, die sich der Verwendung durch den Menschen entzogen hat, die also nunmehr in der Umgebung herumvagabundiert. Verloren ist sie keineswegs. Und nun kommt die entscheidende Erkenntnis: Der Ort des neu definierten Energieverlustes ist nichts anderes als eine richtig bestimmte Systemgrenze. Da wir bereits festgestellt haben, dass im Bauwerk enthaltene Energie keineswegs als verloren angesehen werden kann, dass uns aber auch die vom Bauwerk entwichene Energie nichts mehr nützt, bleibt nur noch eine klar definierte Systemgrenze übrig: das ist die Gebäudeoberfläche. Genau an dieser Stelle enden aber die Berechnungsverfahren der DIN 4108. Dort finden nämlich nicht Wärmeleitung sondern zwei Wirkungsmechanismen statt, die beide von der Norm gar nicht behandelt werden:
Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen, Wärmestrahlung genannt, und Energieabtrag durch konvektive Ereignisse.
Diese beiden Vorgänge haben aber mit der in der Wand stattfindenden Wärmeleitung nahezu nichts zu tun. Abstrahlung ist ein autonomer Prozess, der nur von der Oberflächentemperatur und vom Strahlungskoeffizienten abhängt. Die Oberflächentemperatur aber ist von den Umgebungsbedingungen abhängig und nicht vom Beheizungszustand des Gebäudes. Beim Energieabtrag durch Konvektion sind die entscheidenden Größen die Windgeschwindigkeit, die Lufttemperatur und ebenfalls die Oberflächentemperaturen. Auch die Rauhigkeit der Oberfläche ist von großem Einfluss. Auch diese sind völlig unabhängig von den Vorgängen in der Wand. Dennoch gibt es eine Verbindung dieser beiden Wirkungen mit der Wärmeleitung. Dem guten alten Fourier verdanken wir die Einsicht, dass Wärmeleitung ein Temperaturgefälle benötigt. Auf der Rauminnenseite ist die Oberflächentemperatur eine Folge der Raumbeheizung. Auf der Gebäudeoberfläche ist sie eine Folge von strahlendem und konvektivem Energieabtrag und ebensolchem Energieeintrag. Unterscheiden sich die beiden Temperaturen, kommt es zur Wärmeleitung. Wir stehen somit vor dem Mysterium, dass es zwischen den beiden Wandoberflächen einen Informationsfluss gibt, der den Wärmestrom in Gang setzt. Eines jedenfalls begreifen wir nun ganz schnell: Die Oberflächentemperatur einer Außenwandoberfläche ist nicht im Geringsten eine Folge der
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Wärmeleitung. Im Gegenteil: Die Wärmeleitung folgt der Oberflächentemperatur.
Die Praxis bestätigt das auch. Ich habe in mehreren Wintern mit einem Präzisionsgerät Oberflächentemperaturen von Wänden unterschiedlichster Bauart gemessen. Da waren Oberflächen von WDVS, von Ziegelsichtmauerwerk, von verputzten Wänden und auch von Leichtkonstruktionen. Niemals konnte ich einen bauartbedingten signifikanten Temperaturunterschied messen. Hätten die Dämmtechniker Recht, müssten die Oberflächen wärmegedämmter Fassaden deutlich kälter sein, weil der Dämmstoff den Wärmedurchgang zur Fassadenoberfläche behindert. Die Oberflächentemperaturen sind jedoch mehr oder weniger gleich. Besonders aufschlussreich waren Messungen an Massivbauten, die unbeheizt waren. Auch hier waren keine auffälligen Unterschiede zu beheizten Bauten feststellbar. Dies zeigte, dass die Oberflächentemperaturen nur von den Wetterbedingungen abhingen, keineswegs jedoch von der Wärmeleitung in der Wand. Weitere Messungen zeigten, dass bei sich ändernden Außenlufttemperaturen und Einstrahlungsbedingungen die Wandoberflächentemperaturen bei ungedämmten Wänden nur sehr langsam veränderten, bei gedämmten Konstruktionen sehr rasch. Ging die Veränderung der Oberflächentemperatur auf unmittelbare Sonneneinstrahlung zurück, reagierten gedämmte Wände mit nahezu verzögerungsfreier Oberflächenerwärmung, ungedämmte Wände waren auffällig träger. Die Oberflächentemperaturen von Hüllflächen werden somit nur durch exogene Ereignisse strahlender und konvektiver Art bestimmt, nicht jedoch von deren Bauart. Diese Einsicht ist von entscheidender Bedeutung für den Heizenergieverbrauch und für Konstruktionen, die ihn vermindern sollen. Hier öffnet sich der Weg zu tatsächlich energieeinsparenden Konstruktionen. Wir müssen nämlich die Oberflächentemperaturen unserer Gebäude beeinflussen. Im Winter müssen sie wärmer werden, im Sommer müssen wir sie kühl halten. Wie das funktioniert, kommt noch. Wenn wir bis dahin vorgedrungen sind – sie sind jetzt schon ein ganz guter Ketzer – müssen wir noch einen Blick auf WDVS werfen. Und was sehen wir da? Die Abstrahlungsleistung ist genau die gleiche wie die einer normalen Massivwand. Auch der konvektive Energieabtrag ist gleich. Wir wissen schon, dass alleine die Abstrahlungsleistung bei etwa 300 W/m² liegt und dass gegen sie kein Kraut gewachsen ist. Der Dämmstoff kann bei weitem nicht – zumindest zunächst – diese Energie mit ausreichender Schnelligkeit zur Oberfläche durchlassen. Zugleich wird aber vorne in sternenklaren Winternächten abgestrahlt - auf Teufel komm raus. Die Dämmstoffoberfläche wird also ständig abkühlen. Wir wissen, dass derartige Oberflächen von WDVS weit unter die Lufttemperatur abkühlen können. Nun kommt wieder der alte Fourier zum Zuge, der ja richtig geweissagt hat, dass das Maß der Wärmeleitung direkt proportional zum Temperaturgefälle steht. Und siehe da –
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das entropische Gesetz wirkt wieder einmal – der Wärmestrom, der nun durch den Dämmstoff geht, ist exakt so groß, wie wenn gar kein Dämmstoff vorhanden wäre. Das enorm vergrößerte Temperaturgefälle hat das bewirkt. Fassen wir vorläufig zusammen: Das der DIN 4108 und der EnEV zugrunde liegende Modell, wonach der Heizenergieaufwand nur durch die Transmissionswärme bestimmt sei, ist falsch. Dies liegt daran, dass in diesem Modell nur der Energiegehalt der Raumluft betrachtet wird und die Systemgrenze, an der der „Energieverlust“ stattfindet, an der Innenoberfläche der Wand angenommen wird. Es handelt sich um das „Warmluftbehältermodell“. Falsch ist das Modell vor allem auch deshalb, weil es keine zutreffende Beschreibung des Energieübergangs an der Außenfläche der Wand anbietet. Mein neues Modell geht von folgendem aus:
Der Ort des den Energieaufwand bestimmenden Geschehens ist die Oberfläche der Außenwand. Das Wetter bestimmt die Oberflächentemperaturen. Der Energieabtrag findet bei Windstille und geringen Windgeschwindigkeiten überwiegend durch Abstrahlung statt. Bei großen Windgeschwindigkeiten – die allerdings im Winter seltene Ereignisse sind – erhöht sich auch der konvektive Energieabtrag. Dem steht ein Energieeintrag von außen gegenüber, der ebenfalls überwiegend durch Einstrahlung und geringer durch konvektive Ereignisse bestimmt wird. Das energetisch zu betrachtende System ist das Bauwerk im Ganzen, wobei die Systemgrenze mit der oberirdischen Hülloberfläche identisch ist. Der Heizenergieaufwand entsteht dadurch, dass in der Energiebilanz aus Energieeintrag und Energieabtrag an der Gebäudeoberfläche – und nur dort - durch zugeführte Heizenergie eine ausgeglichene Energiebilanz erreicht werden muss.
Dieses neue Modell ist so neu gar nicht. Es wird von einem halbwegs aufmerksamen Beobachter täglich empirisch erfahren. Auf seinen banalsten Punkt gebracht, bestätigt dieses Modell die Binsenwahrheit, wonach im Winter geheizt werden muss, im Sommer aber nicht. Quantifizierung energetischer Vorgänge
Die praktische Nutzanwendung dieser wieder belebten Einsichten ist nur dann möglich, wenn wir uns den Größenordnungen der energetischen Prozesse zuwenden. Ich verzichte hier auf eine detaillierte Berechnung. Ich beschränke mich auf das Ergebnis, das jeder, der mit der Stefan-Boltzmann-Formel, den Einstrahlungstabellen und mit den Faustformeln zur Berechnung konvektiver Ereignisse umgehen kann, mühelos selbst herausfinden kann. Definiere ich die Summe aus Energieabtrag und Energieeintrag als
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„Energieumsatz“, werden etwa 97% hiervon durch wetterbestimmte Ereignisse, durch Strahlungsvorgänge und Konvektion an der Gebäudeoberfläche bestritten. Nur der kleine Rest von maximal 3% ist auf der Seite des Energieeintrags auf die Heizanlage zurückzuführen. Die Musik spielt also nicht im Heizraum sondern an der Gebäudeoberfläche. Die gewohnte Vorstellung, wie sie in der EnEV enthalten ist, wonach es darum ginge, dass die gesamte Energieproduktion im Heizraum stattfände und es nur darum ginge, nunmehr die gewonnene Energie am Verlassen des Gebäudes zu hindern, ist somit falsch. In diesem Sinne ist daher auch der Zentralbegriff „Transmissionswärmeverlust“ dann, wenn er zur Beschreibung der energetischen Vorgänge am Gebäude herhalten soll, sinnlos. Der in der EnEV definierte Transmissionswärmeverlust kann nämlich nicht größer als die Leistung der Heizanlage sein. Diese Aussage gilt in jedem Falle für ständig und kontinuierlich beheizte Gebäude. Praktische Schlussfolgerungen
Unser Thema lautet „Einsparung von Heizenergie“. Wir haben gesehen, dass Außendämmungen, z.B. in der Form von WDVS nicht zur Einsparung von Heizenergie führen können. Wir wollen das aber erreichen. Meine bisherigen Darlegungen wären sinnlos, wenn ich lediglich die Erfolglosigkeit der bisherigen Techniken nachgewiesen hätte, jedoch die Auskunft darüber verweigerte, was nun zu tun sei. Im Grundsätzlichen ist die Lösung erschreckend einfach. Da wir bereits eingesehen haben, dass die den Energieverbrauch entscheidenden Vorgänge an der Gebäudeoberfläche stattfinden, ergibt sich folgende Forderung:
Der strahlende Energieabtrag ist gering zu halten. Der konvektive Energieabtrag ist gering zu halten. Der strahlende Energieeintrag ist zu ermöglichen. Der konvektive Energieeintrag ist zu ermöglichen.
Hieraus entwickelte technische Lösungen müssen auch den sommerlichen Wärmeschutz gewährleisten. Insgesamt kommt es also darauf an, die Energiebilanz an der Gebäudeoberfläche so zu beeinflussen, dass der ohnehin sehr geringe Anteil des Energieeintrags aus der Heizanlage noch geringer wird. Hier ist an drei Fronten anzugreifen:
Gebäudeentwurf im Großen. sinnvolle Fassadentechnik im Detail. Sinnvolle Heiztechnik.
Der Gebäudeentwurf
Da wir gesehen haben, dass Einstrahlungsvorgänge den überwiegenden Teil des Energieeintrags bewerkstelligen, können wir das im Entwurf verarbeiten. Der Idealfall wäre ein Gebäude das nur eine Sonnenseite, nördlich des Äquators also nur eine Südseite hätte. Leider hätte ein derartiges Gebäude aber kein
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Volumen. Folglich müssen unsere Bauwerke nach allen Himmelsrichtungen ausgerichtet sein. Unter diesem Gesichtspunkt wären Grundrisse auf dreieckigem Umriss ideal, weil man hierbei die reine Nordseite und im Winter unbeschienene Wand vermeiden kann. Wahrscheinlich gibt es derartiges schon. Zu denken ist auch an drehbare Gebäude. Aber welch ein Aufwand? Die Sonnenblumen führen uns vor, dass aber auch das geht. Wichtig ist bei energetisch guten Entwürfen, dass die Hauptfensterflächen südlich orientiert sind. Derartige Fenster sind wahre Energiefallen. Den sommerlichen Wärmeschutz müssen wir aber auch hinbekommen. Technische Lösungen hierfür gibt es reichlich. Versuche, derartige Häuser zu bauen, kennen wir von der „Passivhausbauweise“, die durchaus vernünftige Ansätze bietet, leider aber gepaart mit einer exzessiven Verwendung von überdimensionierten Dämmschichten, deren Unwirksamkeit wir inzwischen kennen gelernt haben. In eng bebauten Gebieten ist die Stellung des Baukörpers meistens vorgegeben oder gar in einem Bebauungsplan geregelt. Da muss man sich eben nach der Decke strecken. Energetisch ist hier aber von Vorteil, dass die Einstrahlung aus der unmittelbaren Umgebung hoch ist. Nordwände erfahren eine hohe Umgebungsstrahlung von gegenüberliegenden Südwänden. Gegenüberliegende Fensterscheiben führen häufig zu reflektierter Sonneneinstrahlung auf Nordwänden. Wird in offener Landschaft gebaut, lohnt eine Untersuchung der Umgebung. Nadelbäume vor Südwänden verschatten und mindern daher die Sonneneinstrahlung. Sie sollten daher durch Laubbäume ersetzt werden. Auf der Hand liegt, dass Baukörper bei denen die Oberfläche der Gebäudehülle im Verhältnis zum Baukörpervolumen klein ist, auch kleinere Abstrahlungsleistungen haben. Andererseits ist natürlich die Einstrahlungsleistung ebenfalls verhältnismäßig klein. An einer Tabelle können wir uns das veranschaulichen. Betrachten wir daher eine einfache Würfelgeometrie, wobei wir jedoch die Bodenfläche nicht berücksichtigen.
Kantenlänge (K) Volumen (V) Oberfläche (O) Verhältnis V : O 1 2 3 4
1 8 27 64
5 20 45 80
1 : 5,00 1 : 2,50 1 : 1,67 1 : 1,25
Wir sehen also, dass die Bedeutung der energetischen Vorgänge am Gebäude größenabhängig ist. Bei einem kleinen Einfamilienhaus ist diese Bedeutung erheblich größer als bei einem großen und massigen Baukörper. Das haben
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seinerzeit auch schon die Dinosaurier herausgefunden. Wäre nun das bauphysikalische Modell der EnEV richtig – wie aber nicht –, wäre der große und möglichst gedrungene Baukörper einem kleinen und möglicherweise auch noch gegliederten Baukörper energetisch überlegen. Die beste Hauskörperform wäre daher die Kugel. Berücksichtigen wir beim Entwurf aber vernünftigerweise die Energiebilanz des Gebäudes und nicht nur den Transmissionswärmedurchgang, wie das der Gesetzgeber in seiner unergründlichen Einfalt vorschreibt, erlangen wir eine große Freiheit beim Entwurf des Baukörpers. Das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche ist keine entscheidende Größe. Hierbei müssen wir den Baukörper nach den besten Einstrahlungsbedingungen entwerfen. Im 136 Sonneneinstrahlungswinkel von 135° bis 225° soll die Fassaden- und Fensterfläche möglichst groß sein, die anderen Richtungen sollen entsprechend knapp gehalten werden.137 Dachflächen sollten zu den „guten“ Richtungen hin möglichst senkrecht zum vertikalen Einstrahlungswinkel der winterlichen Sonne stehen. Diese Überlegung führt zum Steildach. Nun kann man einen Entwurf natürlich nicht ausschließlich unter energetischen Gesichtspunkten ausarbeiten. In der Alltagspraxis genügt es daher auch, dass man diese Gedankengänge im Hinterkopf hat und zumindest grobe Verstöße gegen diese Erkenntnisse unterlässt. Außenwände
Außenwände werden ihrer Bauart nach in Massivkonstruktionen und Leichtkonstruktionen unterschieden. Die Massivwand hat meistens auch tragende Funktion, bei der Leichtwand werden die Lasten von einer gesonderten Konstruktion aus Stützen und Trägern übernommen. Da gibt es drei grundsätzliche Varianten nach der Stützenstellung, also vor, innerhalb oder hinter der Wand. Die bevorzugten Baustoffe für die Tragkonstruktionen sind Holz (z.B. beim traditionellen Fachwerkhaus), Stahl und Stahlbeton. Stahl, eigentlich ein wundervoller Baustoff, muss, wenn er in oder hinter der Hülle steht, feuersicher ummantelt werden. Dabei geht die Eleganz dieses Materials verloren. Bei meinen eigenen Stahlskelettbauten habe ich daher den Stahl immer vor der Wand angeordnet, weil er dort nur gering feuergefährdet ist und im Brandfall mit Löschwasser gekühlt werden kann. Der größte Vorteil der Massivwand besteht in ihrer Fähigkeit, Wärmeenergie zu speichern. Nachteilig ist der hohe Energieaufwand in der Anheizphase, die entsprechend lange dauert. Vorteilhaft ist dies wiederum im Sommer, da es lange dauert, bis ein Massivbau so aufgeheizt ist, dass es ungemütlich wird. Wenn aber ein Massivbau endlich aufgeheizt ist, dauert es lange, bis der Ausfall der Heizungsanlage überhaupt bemerkt wird. Die berühmte „Schafskälte“ im 136 137
Das sind die Himmelsrichtungen SO bis SW.
Dieser Regel soll auch die Anordnung der Fensterflächen folgen.
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Juli wird vom Massivbau mühelos überwunden. Bei Leichtbauweisen muss dagegen nochmals im Juli die Heizanlage angeworfen werden. Letztlich muss der Bauherr selbst entscheiden, was er lieber hat. Eine Rolle spielt hierbei die Nutzung. Haben wir es mit einem nur zeitweise bewohnten Ferienhaus zu tun, dürfte die Leichtbauweise vorteilhaft sein. Der Aufheizvorgang ist von kurzer Dauer, die Abkühlungsphase ist ebenfalls kurz. Die Heizanlage läuft somit im Wesentlichen nur während der Benutzung. Daher ist der gute alte Zimmerofen bei Ferienhäusern immer noch eine recht gute Heiztechnik. Beim dauernd bewohnten Haus ist die Massivbauweise klar überlegen, weil sich dort die erhöhten Kosten des Aufheizvorgangs auf eine gesamte Heizperiode verteilen und somit nicht nennenswert ins Gewicht fallen. Alles entscheidend beim Massivbau ist die Fähigkeit, eingestrahlte Sonnen- und Umgebungsstrahlung abzuspeichern. Das wird allerdings von den Anhängern der EnE V und der Dämmtechnik, die ich scherzhaft als die „Dämmophilen“ bezeichne, heftig bestritten. Sie „beweisen“ mit den Rechenmethoden der DIN 4108, dass es auf die Speicherfähigkeit nicht ankäme. Mit dieser Methode kann auch gar kein anderes Ergebnis herauskommen. Das physikalische Modell geht hierbei ja von der kindlichen Annahme aus, dass der energetisch interessierende Vorgang, der letztlich die Heizkosten bestimmt, ausschließlich darin bestünde, dass die im Hause freigesetzte Energie durch die Außenhülle verschwände und sonst nichts beachtenswertes geschähe. Wir wissen es aber inzwischen besser. Vor allem haben wir inzwischen erkannt, dass der Energieeintrag aus der Heizanlage bestenfalls 3% des Gesamteintrags beträgt, während der große Rest – auch in der Heizperiode – ein Geschenk der Sonne ist. Dieser riesige Energiebetrag nützt uns aber nichts, wenn wir Häuser bauen, die ihn nicht verwerten – also die eingestrahlte Energie nicht abspeichern können. Die Dämmophilen sagen nun folgendes: „Das ist ja gut u nd schön, dass Wärmeenergie abgespeichert werden kann –
das wollen wir ja gar nicht bestreiten. Allerdings ist das ein Nullsummenspiel, da die gleiche Energie ja wieder abgestrahlt wird. Einstrahlung und Abstrahlung sind gleich groß, das Ergebnis ist also Null. Eine Größe Null muss man aber nicht beachten.“
Diesem Denkfehler unterliegen auch die EnEV und die hierfür grundlegende DIN 4108. Das wird schon daran erkennbar, dass die energetischen Vorgänge an der Gebäudeoberfläche in der Norm überhaupt nicht behandelt werden. Selbst das banale Erfahrungswissen, dass der Heizenergieverbrauch durch das Wetter bestimmt wird und dieses seine Wirkung natürlich nur an der Gebäudeoberfläche hat, wird in der Norm nicht verwertet. Nicht im Traume kommen die Dämmophilen auf die Idee, einmal darüber nachzudenken, warum man im Winter heizen muss, im Sommer dagegen nicht. Noch viel weniger
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denken sie darüber nach, dass es zwischen Kernwinter und Hochsommer Zwischenzustände gibt, die teilweise noch innerhalb der Heizperiode liegen und zeitlich den längsten Teil der Heizperiode einnehmen, sodass die Höhe der Heizkostenrechnung nicht im Kernwinter sondern vom Verlauf der Heizungsübergangszeiten bestimmt wird. Es stört sie nicht im Geringsten, dass die DIN 4108 all das nicht behandelt und genau dort, wo es interessant wird, nämlich an der Gebäudeoberfläche, zu rechnen aufhört. Statt dessen erklären sie den Wärmeleitungsvorgang von innen nach außen zum „Transmissionswärmeverlust“, was konsequent zur Anordnung von Dämmschichten von mindestens 15 cm Dicke führt, da rein rechnerisch ja nun kaum noch Wärmeenergie durch die Gebäudehülle nach außen wandern kann. Sie hätten ja Recht, wenn die gesamte eingetragene Energie ausschließlich dem Heizkessel entstammte. So aber sind es – wie wir gesehen haben – nur 3%.138 Ich gebe zu: Das Modell der EnEV hat den Vorzug der Einfachheit und der leichten Berechenbarkeit. Eine Betrachtung der energetischen Vorgänge an der Gebäudeoberfläche ist entschieden komplizierter und vielfältiger und daher – weil wetterabhängig – auch letztlich nicht berechenbar, weil das Wetter als bestimmender Einfluss chaotisch ist und chaotische Vorgänge definitionsgemäß unberechenbar sind. Diese Unberechenbarkeit ist es wohl auch, dass der Normenausschuss es strikt ablehnt, eine der sparsamen Energieverwendung dienende Norm zu entwickeln. Heraus käme nämlich eine Norm, bei der man nichts berechnen könnte – aus dem Blickpunkt des Normenausschusses ein Unding an sich.139 Was ist aber nun zum Einwand „Nullsummenspiel“ zu sagen? Betrachten wir also zunächst nur Strahlungsvorgänge. Das Sonnenspektrum umfasst eine große Bandbreite von Wellenlängen, darunter auch den energiereichsten Anteil der Wärmestrahlung, nämlich das Ultraviolett. Dieses hat die interessante Eigenschaft, dass es auch ungehindert durch Wolken zur Erdoberfläche gelangt. Daher werden wir auch bei bewölktem Himmel braun. Daher heizt sich ein Auto auch bei bewölktem Himmel auf, weil auch dann genügend Wärmestrahlung auf dem Blech ankommt. Ebenso ist es beim Gebäude. Wir haben bereits gesehen, dass die eingestrahlte Energie – verlustlos – umgewandelt wird. Da gibt es nur zwei Möglichkeiten auf Wandoberflächen: Absorption und Reflexion. (Von den Ereignissen bei lichtdurchlässigen Stoffen wollen wir absehen.) So entsteht beispielsweise auch der Farbeindruck. Erscheint eine Fläche rot, besagt das, dass die Lichtwellen, die im Rot nicht enthalten sind, absorbiert worden sind. Gegenüber dem roten Spektrum verhielt 138
Zur Ehrenrettung der EnEV: In Polarregionen mit monatelanger Polarnacht ohne Sonneneinstrahlung wäre sie annähernd vernünftig.
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Nun besteht auch noch das – menschlich verständliche – Problem, dass eine derartige Norm mit den bisherigen Normen und der EnEV vollkommen brechen müsste. Es würde zutage kommen, dass ein Heer von Professoren und Beamten uns seit etwa dreißig Jahren puren Unsinn aufgezwungen hat. Da muss also erst eine ganze Generation aussterben, bis es zu einer vernünftigen Normung kommen kann.
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sich die Wand als Reflektor, alle anderen Spektralfarben wurden absorbiert. Diese Ereignisse hängen ausschließlich von der Oberflächenbeschaffenheit eines Stoffes ab. Das reflektierte Licht entschwindet samt seinem Energiegehalt in der Umgebung, das absorbierte Licht führt zur Erhöhung des Energiegehalts des Absorbers, der also wärmer wird. Nun können wir auch verstehen, warum schwarze Flächen sich schneller und mehr erwärmen. Sie absorbieren nämlich alle Spektren und verwerten daher durch Erwärmung die in der Strahlung enthaltene Energie am Besten. Am Allerbesten ist hierbei der sog. „Schwarze Strahler“, der aber nur ein theoretisches Gebilde ist, das in der Natur nicht vorkommt. Er würde nämlich alles Licht absorbieren und völlig in Wärmeenergie umsetzen. Schwarz ist daher auch keine Farbe, auch wenn wir es täglich mit schwarz gestrichenen Flächen zu tun haben. Genau genommen sind schwarze Flächen unsichtbar – allerdings nur im Hinblick auf das eingeschränkte Wahrnehmungsvermögen des menschlichen Auges. Im langwelligen Bereich kann auch eine schwarze Fläche Licht absondern, das jedoch für den Menschen unsichtbar ist. Hierbei handelt es sich um Infrarot (IR). Wir müssen also erkennen, dass eine von Strahlung erreichte Fläche Energie aufnimmt und durch Strahlung auch wieder abgibt. Das Wellenlängenspektrum aber der abgegebenen Strahlung ist in aller Regel völlig anders als das der empfangenen Strahlung. Nur ein perfekter Reflektor ist in der Lage, das gesamte empfangene Spektrum wieder abzugeben. Den perfekten Reflektor gibt es aber ebenso wenig wie den Schwarzen Strahler. Daher erwärmt sich auch ein Spiegel, der in das Sonnenlicht gestellt wird – allerdings weit weniger als ein daneben befindlicher Backstein. Nun müssen wir uns nur noch klar machen, dass die einzelnen Spektren einen unterschiedlichen Energiegehalt haben. Hierbei gilt: Je kürzer die Wellenlänge, umso höher der Energiegehalt.
Und schon ist es aus mit dem Nullsummenspiel. Im eingestrahlten Sonnenlicht ist auch sehr kurzwelliges Licht enthalten, vor allem das unsichtbare Ultraviolett (UV). Dieses UV ist der energiehaltigste Teil des Sonnenlichts. Es wird natürlich völlig absorbiert, da Gebäudeoberflächen UV nicht reflektieren können. Damit wird die gesamte im UV enthaltene Energie in Wärmeenergie umgesetzt, die sich durch die Erhöhung der Temperatur der Wandoberfläche bemerkbar macht. Aber auch diese Wand strahlt wiederum Wärmeenergie ab. Zu einem kleinen Teil im sichtbaren Bereich des Wellenspektrums, zu einem größeren Teil im infraroten Bereich. Diese Spektren sind allerdings insgesamt erheblich energieärmer, Es wird also erheblich weniger Energie abgestrahlt als durch Absorption aufgenommen worden ist. Das ist auch ganz offensichtlich. Wäre das Ganze ein Nullsummenspiel, wie die Dämmophilen zu behaupten pflegen, könnte es ja gar nicht zur Erwärmung der Wand kommen und ebenso wenig dazu, dass auch dann, wenn die Sonne hinterm Hauseck verschwunden ist, die Wand noch stundenlang wärmer ist, als unbeschienene Flächen. Wir sehen
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also, dass während des Einstrahlvorgangs stets mehr Energie aufgenommen wird, als abgegeben werden kann. Damit dieses jedoch unserer Energiebilanz zugute kommen kann, muss die Energie gespeichert werden. Je massereicher eine Wand ist, umso besser funktioniert das.140 Wir wissen aber auch, dass diese Vorgänge nicht den ganzen Tag lang konstant ablaufen. Sie unterliegen dem von der Drehung der Erde um ihre Achse vorgegebenen und unabänderlichern zeitlichen Verlauf. Das ist ganz entscheidend. Erstaunlicherweise wird auch der zeitliche Ablauf des Geschehens weder von der EnEV noch von der DIN 4108 gewürdigt. Das Ziel unserer Bemühungen muss aber natürlich darin liegen, dass wir den exogenen Energieeintrag bestmöglich verwerten. Hierzu sind eigentlich nur zwei Maßnahmen erforderlich: Wir müssen alles vermeiden was den Energieeintrag von außen behindert und alles dafür tun, dass die Energie bestmöglich in der Außenwand so abgespeichert und weiter behandelt wird, dass das winterliche Energiedefizit so gering wie möglich ausfällt. 141 Wir benötigen also ein „energetisches Rückschlagventil“. Nun wird auch die Fehlerhaftigkeit von überdimensionierten und außen angebrachten Dämmschichten erklärbar. Sie bewirken nämlich, dass die eingestrahlte Energie zwar vom Dämmstoff absorbiert wird, dessen schlechte Wärmeleitfähigkeit den Durchgang der Wärmeenergie ins Mauerwerk hinein jedoch im Verlaufe der zeitlich begrenzten Einstrahlungsdauer verhindert. Wärmedämmstoffe sind aber auch ganz miserable Wärmespeicher. Daher kühlen sie mit dem Ende der Einstrahlung in kurzer Zeit auch wieder aus. 142 Ihr Abstrahlvermögen ist nämlich ebenso groß wie das einer verputzten Mauer. So ungefähr können wir also nun den Vorteil wärmespeichernder Außenwände verstehen. Entscheiden wir uns für die Massivbauweise, wissen wir empirisch und aus jahrhundertelanger Erfahrung, dass eine Ziegelwand von etwa 36 cm Dicke unter dem Gesichtspunkt der sparsamen Materialverwendung ein gewisses Optimum darstellt, wohl wissend, dass eine Ziegelwand von 50 cm Stärke besser, aber leider für den Durchschnittsbauherrn unerschwinglich ist. Eine gute – jedoch weniger bekannte – Wandkonstruktion ist die massive Holzwand, die man aus übereinander gelegten Balken errichten kann. Das 140
Aber auch hier sollte man Übertreibungen vermeiden. Eine meterdicke Bruchsteinwand hat eine so hohe Wärmekapazität, dass sie auch im heißesten Sommer an der Innenoberfläche kalt bleibt. Eicke – Henning, ebenfalls ein Dämmophiler, kann also mit seinem Burgmauerbeispiel nichts beweisen.
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Unter dem Kapitel „Thermosfassade“ werde ich zeigen, das s es möglich ist, durch bauliche
Maßnahmen dieses Ziel erheblich erreichbarer zu machen. 142
Wenn man eine 15 cm dicke Platte aus Styropor aus einem geheizten Raum is Freie bringt, dort eine Aussenlufttemperatur von -10 °C herrscht, dauert es etwa 120 Minuten, bis die Platte die Außentemperatur angenommen hat.
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hängt mit den Eigenschaften des Baustoffs Holz zusammen. Gewichtsbezogen ist nämlich Holz ein außerordentlich guter Wärmespeicher mit einer Wärmekapazität, die mehr als doppelt so hoch ist als die mineralischer Baustoffe. Vergleicht man daher eine Ziegelwand aus Leichthochlochziegeln, die eine Masse von ca. 700 kg/m³ hat, mit einer Balkenwand, die eine Masse von etwa 650 kg/m³ hat, erreicht man eine ausreichend wärmespeichernde Wand bereits bei einer Stärke von 20 cm. Der Dämmwert einer derartigen Holzwand liegt sogar etwas über dem der verglichenen Ziegelwand. Beim derzeitigen (2010) Holzpreis ist eine Holzbalkenwand daher billiger als eine gemauerte Konstruktion. Ähnlich gute Ergebnisse könnte man mit einer Blockrahmenkonstruktion erreichen, deren meist 20 cm dicker Hohlraum nicht – wie üblich – mit Dämmstoffen sondern mit gestampften Holzabfällen, mit wieder aufbereitetem Zeitungspapier oder mit gepresstem Stroh ausgefüllt wäre. Auch hier hätte man gute wärmespeichernde Eigenschaften, auf die es – wie bereits gezeigt – mehr ankommt, als auf den U-Wert143. Da wir den Wert wärmespeichernder Konstruktionen nun ausreichend kennen gelernt haben, nur noch ein kurzer Blick auf Leichtwandkonstruktionen, deren wesentlicher Bestandteil Dämmstoffe sind und die vorne wie hinten nur noch dünne Schalen haben, außen als Wetterhaut, innen als Untergrund für Raufasertapeten. Da diese Konstruktionen kaum Wärmeenergie so abspeichern können, sodass die tagsüber eingetragene Energie verwertet werden kann, müssen sie durchgehend beheizt werden. Die Wandoberflächen kommen dabei sehr rasch auf eine ausreichende Temperatur, da geringe Massen sehr rasch erwärmt werden können. Ebenso rasch kühlen diese Wände aber auch wieder aus, wenn die Heizanlage abschaltet. Exogene Energie kann natürlich nicht gespeichert werden – sie wird verschenkt. So gebaute Häuser sind also – bauphysikalisch gesehen – Warmluftbehälter, die zudem luftdicht sein müssen. Erlaubt ist eine derartige Bauweise als Folge einer unsinnigen Heizungsnorm, die lediglich eine bestimmte Raumlufttemperatur vorschreibt, die anderen, das Raumklima bestimmenden Faktoren aber nicht behandelt. Die Bewohnbarkeit im Winter wird nur durch Dauerbetrieb der Heizanlage ermöglicht. Das energetische Konzept versagt völlig, will man den vorgeschriebenen 0,6-fachen Luftwechsel je Stunde durchführen. Kurzerhand erklären die Hersteller derartiger Häuser, dass ein 0,3-facher Luftwechsel ausreichend sei. Werden derartige Konstruktionen auch noch mit nachtabgesenkten Heizanlagen betrieben, kommt es zu einem ständigen Wechsel von Konstruktionstemperaturen. Nachts verlieren derartige Konstruktionen ihren Energiegehalt, sie kühlen aus, während zugleich die relative Luftfeuchtigkeit in den Räumen steigt. Tauwasserbildung in 143
Mein Kollege Architekt Dietrich Becker aus Sömmerda hat da ganz konsequent ein Haus entwickelt, dessen Außenwände aus gepressten Strohballen bestehen.
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der Konstruktion ist dann unausweichlich. Zumutbar sind derartige Konstruktionen daher nur für untergeordnete Zwecke. Für nur zeitweise genutzte Ferienhäuser mögen sie angehen, ebenso taugen sie als Baubaracken und ähnliches. Ihr Urahn ist ja auch die Reichsarbeitsdienstbaracke aus der Nazizeit. Völlig ungelöst bei derartigen Konstruktionen ist der sommerliche Wärmeschutz, da sie sich im Sommer unerträglich aufheizen. Diese Mängel sind natürlich auch den Konstrukteuren bekannt. Daher werden derartige Gebilde fast nur noch mit Anlagen zur „kontrollierten Lüftung“ angeboten. Das sind im Wesentlichen zusätzliche Klimaanlagen herkömmlicher Bauart, die im Winter den Luftwechsel über wärmerückgewinnende Kondensationsstrecken ermöglichen und im Sommer als Luftkühlungsanlage betrieben werden können. Dieser technische Aufwand, der natürlich zusätzliche Betriebs – und Wartungskosten nach sich zieht, kostet nicht wenig. Die Unfähigkeit, exogene Energie zu verwerten wird sodann mit aufwändigen sonstigen Techniken ausgeglichen, als da sind: Erdwärmespeicher, Solarzellen-und-kollektoren, Energierückgewinnungsanlagen und vieles andere mehr. Das Ganze nennt sich dann waschmittelwerbeartig „Passivhaus“ und ist in aller Regel erheblich teurer und störungsanfälliger als der simple altgewohnte Massivbau. Technikfreaks mögen sich dafür begeistern. Mich konnte man davon jedoch bisher nicht überzeugen. Mich schaudert schon der Gedanke daran, dass der Produzent der technischen Aggregate illiquide wird und daher die Ersatzteillieferung nicht mehr funktioniert. Dann ist guter Rat teuer. Ich meine, dass ein Haus auch in Krisenzeiten funktionieren muss. Daher bin ich – vielleicht ist das auch jahrgangsbedingt 144 – ein großer Freund des Notkamins, auch wenn er inzwischen aus den Bauordnungen herausgestrichen worden ist. Gezimmerte Dächer
Dächer bilden einen großen Teil der Hüllfläche. Bei einem Einfamilienhaus mit Steildach kann es mehr Fläche als die Außenwände einnehmen. Dachräume waren früher unproblematisch als sie nur Speicher und Trockenböden waren. Sie übernahmen die Außentemperaturen auch innen. Bauphysikalisch war das alles unbedenklich. Heute werden Dachräume jedoch ausgebaut, die Dachkonstruktion ist also zugleich Hüllfläche von bewohnten Räumen. Technisch wäre es nun möglich, auch Dächer in Massivbauweise zu errichten. Damit – und wäre dies die Regelkonstruktion – könnten wir das über die massive Gebäudewand gesagte auch auf die Dachkonstruktion übertragen. So aber müssen wir uns damit abfinden, dass die traditionelle Tragkonstruktion eines Steildaches eine gezimmerte Konstruktion ist 145. Ebenso traditionell ist, 144
Der Verfasser entstammt dem Jahrgang 1938, hat also als Kind Krisenzeiten, bei denen es um das pure Überleben gegangen ist, noch selbst erlebt.
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Das gezimmerte Dach ist auch immer noch Ursache von schönen Richtfesten, die ich nicht missen möchte.
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dass eine Dachkonstruktion eine Leichtkonstruktion ist, bei der tragende und hüllende Elemente in Schichten erstellt werden. Nachteilig hierbei ist die geringe Wärmespeicherfähigkeit von Dächern. Hierbei kann jedoch einiges verbessert werden. Daher sollte man – analog zu den Überlegungen zur Holzbalkenwand – möglichst viel Holz einsetzen. Das Mindeste hierbei ist eine vollflächige Abschalung der Sparren mit wenigstens 22 mm Stärke. Weiteren Verbesserungen steht natürlich nichts im Wege. Sehr geeignet ist die üppige Verwendung von Holzfasermaterialien statt überdimensionierter Dämmschichten. Wenn man über der Abschalung beispielsweise 60 mm dicke Holzfaserplatten verlegt, kann eine etwa noch erforderliche Dämmschicht mit 40 – 60 mm bemessen werden. Hierbei muss man wissen, dass auch am Dach die nach EnEV vorgeschriebenen Dämmstärken maßlos überzogen sind und auch nicht annähernd den berechneten Erfolg im Hinblick auf Energieeinsparung bringen können. Die Wirtschaftlichkeitsgrenze von Dämmstärken wird je nach gewähltem Material bei 80 bis 100 mm erreicht. Hierbei muss man wissen, dass auch hier gilt, dass die Hauptfunktion eines Dämmstoffes in der Anhebung der Temperatur hinter – oder beim Dach – unter dem Dämmstoff ist. Der Wärmedurchgang selbst wird jedoch nicht verhindert sondern nur verzögert. Bei den von mir konstruierten ausgebauten Dächern hat sich sehr bewährt, dass die Kantholzkonstruktion auf Sicht konstruiert ist, also wenigstens Holzbalken der Schnittklasse S und gehobelt verwendet werden und die darüber liegende Schalung als Sichtschalung mit Sichtseite nach unten verlegt wird. Wenn diese Schalung aufgeschraubt wird, erkennen die Prüfstatiker an, dass sodann die Dachkonstruktion als Scheibe angesehen werden kann. Der gesamte weitere Aufbau des Daches – auch in energetischer Hinsicht – befindet sich sodann über der Schalung, was auch die Handwerker freut, da die sehr unangenehme und kräftezehrende Überkopfarbeit vermieden bleibt. Ein großer Vorteil besteht – energetisch gesehen – darin, dass nun die Sparren und sonstigen Teile des Dachstuhls samt Schalung als wärmespeichernde Masse dienen. Bei einem Dachstuhl eines Einfamilienhauses über 100 m² Grundfläche sind das schon etwa 8 m³ wärmespeicherndes Holz, was etwa der Speicherkapazität von 12m³ Ziegelmauerwerk entspricht. Das ist nicht viel weniger als die Mauerwerksmasse im Erdgeschoss. Wenn wir jetzt noch über der Schalung zusätzliche Weichfaserplatten anordnen, kommen wir in der Regel zu einer ausreichenden Wärmekapazität der Dachkonstruktion. Für den winterlichen Wärmeschutz haben wir also das Nötige getan. Damit der gute Baubeamte zufrieden ist, ordnen wir noch eine zusätzliche Dämmschicht aus Mineralwolleplatten an, die zwar überflüssig ist aber zu einer beanstandungsfreien Bauabnahme führt, was ja auch etwas wert ist. Nun haben wir also über der Schalung einen mindestens 10 cm dicken Aufbau, über dem nun die Dachhaut, also irgendein Ziegel- oder Betonsteindach hergestellt wird. Dieses muss unterlüftet sein. Daher müssen wir die Dachlatten
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entsprechend hoch über der Schalungsfläche anordnen, was zu sog. „Konterbohlen“ führt, die man im Verlauf der Dachsparren hochkant befestigt. Der Rest ist wie gewohnt. Noch ist aber die Konstruktion nicht vollständig beschrieben. Daher zunächst ein paar bauphysikalische Betrachtungen zum Steildach. Bauphysikalisch ist ein Dach extrem belastet. Im Sommer heizt sich die Dachhaut, so sie aus Dachpfannen besteht, zeitweise bis auf 70 °C auf. Damit haben wir auf dem Dach einen Wärmestrahler mit einer Abstrahlungsleistung nach unten von bis zu 800 W/m². Diese Strahlung führt im Verlaufe eines Sommertages zur Erhitzung der gesamten Dachkonstruktion bis hin zur Unterfläche des Daches und damit zu einem höchst unangenehmen und auch gesundheitsschädlichen Überangebot von Wärmestrahlung. Derartige Wohnräume werden im Sommer unbewohnbar. Der Ausdruck „Barackenklima“ ist nachgerade noch milde. Ich habe hiergegen ein Mittel gefunden, das im Bauwesen bisher unbekannt war. Die Unbekanntheit dieser Technik ist übrigens auch eine Folge der Normengläubigkeit meiner Kollegen. Die DIN 4108 bietet nämlich keine Lösung des Problems an, da sie Strahlungsprozesse nicht behandelt. Ich gebe also nun eines meiner Betriebsgeheimnisse preis: Die Energieverlagerung von der Dachhaut bis zur Dachuntersicht fände in dem tatsächlich erlebten Masse nicht statt, wenn sie nur auf Wärmeleitungsprozessen beruhen würde. Tatsächlich geschieht die Energieverlagerung jedoch aus einer Abfolge von Wärmeleitungs- und Strahlungsprozessen, wobei die Strahlungsprozesse eindeutig überwiegen. Wärmestrahlung kann jedoch reflektiert werden. Ich ordne daher unmittelbar über der Abschalung ein reflektierendes Material an. Hierbei handelt es sich um Aluminiumfolien mit einem Emissionskoeffizienten von 0,04, die gegen Korrosion mit einer durchsichtigen Kunststoffhaut kaschiert sind. Die auf der Aluminiumschicht ankommende Wärmestrahlung wird nun zum überwiegenden Teil in den Dämmstoff zurückgeschickt, was zu dem interessanten Messergebnis führt, dass die wärmste Zone im Dämmstoff der Bereich unmittelbar über der Aluminiumhaut ist. Das Ergebnis jedenfalls ist verblüffend. Die Dachräume bleiben im Sommer kühl und manche meiner Bauherren berichten, dass sie sogar die kühlsten und angenehmsten Zonen im ganzen Haus seien. Im Grunde funktioniert das ähnlich wie bei einer Thermoskanne, die ja ebenfalls auf dem Zusammenwirken von schlechter Wärmeleitung und Reflexion von Wärmestrahlung beruht und bekanntlich auch zur Kühlhaltung von Getränken eingesetzt wird. Ein angenehmer Nebeneffekt dieser Konstruktion besteht während des Hausbaus darin, dass die Reflexionsschicht 146 auch wasserdicht ist und daher die frisch aufgeschraubte Schalung vor Durchnässung während der Bauzeit schützt. Weiterhin erfüllt diese Folie nebenher auch noch die Aufgabe der 146
Das von mir bevorzugte Material kommt aus dem Hause Dörken und heißt „Delta – Reflex“.
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ohnehin notwendigen Dampfbremse unter den Dämmschichten. Die Kosten hierfür sind ausgesprochen geringfügig. Im Winter sieht es in der Dachkonstruktion ebenfalls nicht erfreulich aus. Die in der Norm zu findende Annahme, dass mit einer Mindesttemperatur von – 15 °C zu rechnen sei, hat mit der Wirklichkeit nichts gemein. Wir wissen bereits, dass alle Körper solange Energie abstrahlen, bis sie ihre Energie abgegeben haben, theoretisch können Dächer daher unbegrenzt auskühlen. Meine eigenen Messungen an Dächern haben gezeigt, dass in einer sternenklaren Frostnacht die Dachhaut bis auf etwa – 60 °C abkühlen kann, also weit unter die Temperatur der Aussenluft. Sichtbar wird das an der Reifbildung auf Dächern, die ja nur möglich wird, wenn die Dachflächentemperatur deutlich unter die Lufttemperatur gefallen ist. Geneigte oder flache Dächer werden vor allem von der Umgebungsstrahlung kaum erreicht. So nebenher vermerken wir, dass die Temperaturspreizung am Dach somit zwischen Sommer und Winter bis zu 120 K betragen kann. Wenn nun die Dachhaut soweit auskühlt, ist natürlich der darunter befindliche Luftraum annähernd gleich kalt. Das Temperaturgefälle zwischen ausgebautem Dachraum und Luftraum über der Dämmschicht beträgt somit im Extremfall etwa 70 K. Schon wieder macht sich die Reflexionsschicht nützlich. Wir wissen bereits, dass ein guter Reflektor ein ebenso schlechter Strahler ist. Obwohl die zwischen Dämmschicht und Oberfläche Schalung eingelagerte Reflexionsschicht ungefähr die Temperatur der Schalung annimmt, strahlt sie dennoch nur sehr wenig Strahlungsenergie ab. Ihre energierückhaltende Wirkung beträgt etwa die des rechnerischen – nicht jedoch tatsächlichen – Wertes nach DIN 4108 von 20 cm Styropor. Auch hier haben wir wieder den Thermoskanneneffekt. Das Zusammenwirken von schlechtem Strahler und ordentlicher Dämmung, die auch noch recht gut Wärme speichert reicht somit zur Bewältigung der großen winterlichen Temperaturspreizung aus. Und nun kommen wir zu dem heiß diskutierten Thema: Unterspannbahnen
Unsere braven Dachdecker bestehen auf dem Einbau von Unterspannbahnen und bedrohen den Bauherrn, falls er die nicht haben will, mit dem Entzug der Gewährleistung. Dabei berufen sie sich auch auf die „Regeln des Dachdeckerhandwerks“, die natürlich – ähnlich wie die Normen des DIN – nichts anderes sind als unverbindliche Empfehlungen eines Vereins, die den Verwender nicht von der Pflicht entbinden, den Sinn derartiger Regeln zu prüfen. Geht daher etwas schief, nützt es dem Architekten gar nichts, wenn er sich darauf beruft, dass er sich streng an diese Regeln gehalten hätte. Wir Architekten schulden nämlich nicht die Anwendung von Normen und sonstigen Regelwerken sondern einen technischen Erfolg. Tritt der nicht ein – sichtbar am Bauschaden – haften wir nach dem Gesichtspunkt des „ersten Anscheins“.
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Allein die Entwicklung der „Regeln des Dachdeckerhandwerks“ in den vergangenen vierzig Jahren zeigt, dass sie richtig – aber auch falsch sein können. Würden wir heute noch Flachdächer nach den Empfehlungen aus den 60er Jahren des vorigen Jahrhunderts bauen, könnten wir uns am besten gleich im nächstgelegenen Armenhaus einquartieren. Mit ganz wenigen Ausnahmen sind die damals gebauten Flachdachkonstruktionen inzwischen abgerissen und durch andere Konstruktionen ersetzt worden. Soviel also zum Wert der Dachdeckerregeln. Unterspannbahnen sind folienartige Häute oder Textilien, die oberhalb der Dämmschicht und unterhalb der eigentlichen Dacheindeckung eingebaut werden. Der behauptete Zweck besteht darin, dass für den Fall, dass in der Dacheindeckung ein Loch entstünde, z.B. weil ein herabgefallener Ast auf dem Dach aufgeschlagen sei, eine zweite wasserführende Ebene vorhanden sei, die verhindere, dass Regenwasser von da ab ungehindert in die Konstruktion eindränge, dort die Dämmschicht durchnässe und sonstigen Schaden anrichte. Als weiteren Vorteil soll sie das Eindringen von Flugschnee in die Dachkonstruktion verhindern, ebenso von Sprühwasser, das beim Aufschlagen von Regentropfen auf dem Dach entsteht und auch von Staub, der sich auf der Dämmschicht ablagern würde. In der Tat könnten das ganz nützliche Wirkungen sein. Betrachten wir zunächst einmal die Bedrohungen: Herabfallende Äste können ein Dach beschädigen. Da gibt es nur ein sinnvolles Gegenmittel. Der Hausbesitzer muss wenigstens einmal im Jahr die Bäume darauf hin überprüfen, ob abgestorbene Äste in der Krone vorhanden sind. Die müssen dann beseitigt werden. Hierfür sind unsere Gartenbaubetriebe zuständig, die das gerne und preiswert erledigen, weil sie im Winter wenig zu tun haben. Die Geschichte mit dem Flugschnee habe ich selbst an nicht ausgebauten Dächern überprüft und dabei folgendes festgestellt: Fällt Pappschnee, erkennbar an den großen Schneeflocken, bleibt der auf dem Dach liegen, falls dieses kalt genug ist oder er schmilzt. Nicht eine einzige Pappschneeflocke habe ich jemals durch ein Dach hindurchfliegen gesehen. Dieses Phänomen gibt es also nicht. Fällt Pulverschnee, also ganz kleine Schneeflocken, fliegen die wie Bettfedern umher. Ist zugleich heftiger Wind, kann es den Pulverschnee tatsächlich das Dach hinauftreiben. Durch größere Spalten, die allerdings nur bei Biberschwanzeindeckungen vorkommen, kann es dann – wie ich beobachtet habe – zum Durchwehen von Pulverschnee kommen. Allerdings dauert dies höchstens fünf Minuten. Danach hat der Schnee selbst die Spalten verstopft. Auf dem Dachboden lag sodann ein hauchdünner Schneebelag, dessen Wassergehalt – grob geschätzt – vielleicht 1 g/m² betragen hat. Bei einem ausgebauten Dach wäre diese Schneemenge auf der Unterspannbahn liegen geblieben oder, falls eine solche nicht vorhanden war, auf der Oberseite des Dämmstoffs. So oder so wäre diese geringe Menge an Schnee entweder ohne zu schmelzen bei sehr kalter Witterung abgetrocknet, also sublimiert , oder, falls es unmittelbar nach dem Schneefall zu einem starken Temperaturanstieg der Aussenluft gekommen wäre, in kurzer Zeit geschmolzen und sodann
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abgetrocknet. Die Gefährdung der Dachkonstruktion ist also nur sehr geringfügig. Den Durchgang von Sprühwasser konnte ich niemals beobachten. Zeichnet man sich das Deckschema einer Biberschwanzdeckung auf, erkennt man auch, dass Sprühwasser nicht durchdringen kann. Bei Falzpfannen ist das noch viel weniger möglich. Bleibt noch die Verstaubung: Die findet tatsächlich statt. Daher verstauben entweder die Oberflächen der Unterspannbahnen oder die der Dämmstoffe. Das mag den Reinlichkeitssinn der deutschen Hausfrau beleidigen. Irgendeinen Schaden richtet der abgelagerte Staub auf Dämmstoffoberflächen jedoch nicht an, sehr wohl aber auf Unterspannbahnen, deren Diffusionsfähigkeit nämlich abnehmen wird. Da ich selbst in nun vierzigjähriger Berufspraxis noch niemals einen Schaden zu verzeichnen hatte, der auf eine nicht vorhandene Unterspannbahn zurückgeführt hätte werden können, behaupte ich, dass Unterspannbahnen den von den Dachdeckern behaupteten Nutzen nicht haben und daher überflüssig sind. Warum dringen dennoch unsere Dachdecker auf den Einbau von Unterspannbahnen? Da gibt es einen ganz einfachen Grund: Ein ausgebautes Dach ist dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Schichtbereich ein Dämmstoff eingebaut wird, der während des Bauens offen liegt und bei Regenwetter durchnässt würde. Baut der Dachdecker nun eine Unterspannbahn ein, ist natürlich der Dämmstoff auch dann schon vor Durchnässung geschützt, wenn die eigentliche Dacheindeckung noch gar nicht verlegt ist. Insgesamt hat der Dachdecker daher den Vorteil, dass er sein Dach wetterunabhängig bauen kann. Wird keine Unterspannbahn eingebaut, ist seine Arbeit bei schlechtem Wetter erschwert. Er muss dann bei Regenwetter provisorische Planen verlegen, was Zeit beansprucht und den Arbeitsfluss unterbricht. Ganz ärgerlich wird es, wenn bei Sturm die Planen abgerissen werden. Dann kann er nämlich mit dem Dachaufbau von vorne beginnen und den abgesoffenen Dämmstoff wegschmeißen. Sein erhoffter Gewinn ist dann auch dahin. Ein fairer Architekt weist daher in der Leistungsbeschreibung darauf hin, dass der Dachdecker provisorische Schutzmaßnahmen einkalkulieren muss. Warum also keine Unterspannbahnen? Ums Geld geht es dabei beileibe nicht. Unterspannbahnen sind ein billiger Baustoff. Kalkuliert der Dachdecker in seinen Preis provisorische Planeneindeckungen ein, kostet das mehr oder weniger genau so viel wie eine Unterspannbahn. Wir haben bereits gesehen, dass durch Abstrahlung von Wärmeenergie eine Dachhaut und ebenso der unmittelbar darunter liegende und möglichst gut belüftete Hohlraum weit unter die Temperatur der Aussenluft auskühlen können. Ginge es nur darum, dass in diesen Bereich Wasserdampf aus dem darunter liegenden Wohnraum eindringen könnte, müssten wir uns keine
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großen Sorgen machen, da unter dem Dämmstoff ja fast immer dampfbremsende Schichten sind, die das wirksam verhindern. Und dennoch dringt in diesen Bereich Wasserdampf in großen Mengen ein und zwar – wie auch geplant – aus der Aussenluft, weil es ein zwingendes Erfordernis ist, dass Pfanneneindeckungen unterlüftet sein müssen. Diese wasserdampfhaltige Luft dringt also in die Zone ein, in der sich die Unterspannbahn befindet. Ist die Unterspannbahn richtig verlegt, muss auch sie unterlüftet sein. Daher enden ja auch Unterspannbahnen knapp unterhalb des Dachfirstes, damit dort die unterhalb der Bahn eingeströmte Luft wieder entweichen kann. Und nun geschieht das Unvermeidliche. Die im extrem kalten Bereich liegende Unterspannbahn ist Kondensationsebene gegen die Aussenluft. Je nach Temperaturzustand kommt es daher zur Tauwasserbildung auch auf der Unterseite der Unterspannbahn oder – was bei dieser Schadensentwicklung die Regel ist – zur Reifbildung. Übrigens völlig unabhängig vom Dampfdurchlässigkeitsgrad der Bahn, auf den es gar nicht ankommt. Die Reifschicht – ich habe schon 30 mm dicke Schichten beobachtet – wäre immer noch harmlos. Da sich dieser Schaden aber vorzugsweise im zeitigen Frühjahr einstellt, wo es nachts noch zu Strahlungsfrost kommt, am frühen Morgen sich die Luft rasch erwärmt und daher auch entsprechend viel Wasserdampf aufnehmen kann, kommt es dort zu besonders intensiver Reifbildung in der Konstruktion, die ja wegen ihrer größeren Masse die Temperaturänderungen nicht so schnell mitmachen kann. Mit fortschreitendem Frühjahr kommt dann der Tag, an dem es erstmalig zur Sonneneinstrahlung auf die Dachfläche kommt, besonders spannend sind da nach Osten geneigte Dächer. Das Dach erwärmt sich nahezu schlagartig, ebenso der darunter liegende Bereich. Und dann taut der Reif auf der Unterseite der Unterspannbahn in Minutenschnelle ab. Da säuft dann die ganze Dachfläche ab. In einem Haus erlebte ich das mit. Da regnete es förmlich im Wohnzimmer – bei strahlendem Frühlingssonnenschein. Den gleichen Schaden hatte mein älterer Bruder Bernhard, der sich sein zweites Wohnhaus ohne meine Mithilfe selbst geplant hatte und mich erst dann um Hilfe bat, als es in die Ehebetten regnete und der brüderliche Haussegen schon beachtlich schief hing. Der Schaden konnte nur dadurch verhindert werden, dass wir alle Öffnungen, die der Unterlüftung des Daches dienten, verstopften. Damit war die Angelegenheit geregelt – allerdings zu Lasten der eigentlich notwendigen Unterlüftung der Dacheindeckung. Übrigens – anständige und ehrliche Dachdecker geben ganz freimütig zu, dass es so – wie ich es hier geschildert habe – tatsächlich ist. Nun warte ich nur noch darauf, dass wieder einmal die Dachdeckerrichtlinien überarbeitet werden. Diese Reifbildung haben wir allerdings auch an der Untersicht der Dachhaut, wenn keine Unterspanbahnen vorhanden sind. Auch dort kommt es zu Abtauvorgängen. Wohl dem, der sich für eine Ziegeldeckung entschieden hatte.
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Tondachziegel saugen das Tauwasser einfach auf wie ein Löschblatt und geben es nach oben ab. Im Frühjahr sieht man daher bei Tonziegeldächern Dampf aufsteigen. Daher sind Tonziegeldächer der Betonsteineindeckung vorzuziehen, da die Saugfähigkeit von Betonbaustoffen entschieden geringer ist. Ich meine aber, dass auch die Betondachsteinindustrie dann, wenn sie dieses Problem erkennt, in der Lage sein wird, ein saugfähiges Material zu entwickeln. Dass das tatsächlich so ist, erkennt man auch daran, dass Dacheindeckungen, die aus nicht frostsicherem Material bestehen, immer an der Unterseite auffrieren, wo es zu Frostabsprengungen kommt. In diesem Zusammenhang warne ich auch vor der Verwendung von oberseitig glasierten Tondachziegeln. Die Glasur verhindert nämlich den Abtrockungsvorgang in der Dachhaut. Sie ist ebenso nachteilig wie außenliegende Dampfbremsen. Flachdächer als Warmdach
Unter einem Flachdach in Warmdachbauweise verstehen wir eine Dachkonstruktion auf einer tragfähigen Unterlage aus Holz oder Stahlbeton mit geringem Gefälle, bei der verschiedene Schichten klatsch aufeinander liegen. Zu den Einzelheiten des Aufbaus möchte ich mich hier nicht weiter verbreiten; da gibt es eine Vielfalt an guter Fachliteratur. Ich möchte mich auf wenige und nur schwierig lösbare Probleme beschränken. Insgesamt hat das Flachdach keinen guten Ruf, da in dessen Frühzeit in den sechziger Jahren des vorigen Jahrhunderts immense Bauschäden vorhanden waren. Von diesen frühen Flachdachkonstruktionen ist fast nichts mehr vorhanden, da die meisten Dächer inzwischen neu aufgebaut worden sind. Ich selbst habe eine Reihe von Flachdächern bauen lassen. Versagt haben bei mir die Konstruktionen aus meiner beruflichen Anfängerzeit, bei denen ich – Opfer einer überzeugenden Tätigkeit von Vertretern und der Werbung – statt bituminöser Dichtungsstoffe Kunststoffbahnen aus PVC oder Gummi habe verlegen lassen. Vor allem die PVC-Dachhäute – von einem meiner bayerischen Bauherren verächtlich als „Wurschhaut“ bezeichnet - erwiesen sich als vollkommene Katastrophe, da sie an den dem Sonnenlicht ausgesetzten Rändern geschrumpft sind. Das Ergebnis war, dass die Dachhäute sich wie ein Trommelfell gespannt haben und sogar die Rollkiesschüttungen angehoben haben. Am Ende sind diese Dachhäute dann gerissen. Die Flachdachkonstruktion musste völlig erneuert werden. Die Gummihäute waren gegenüber dem Sonnenlicht widerstandsfähiger. Als Nachteil beider Konstruktionen hat sich aber herausgestellt, dass Undichtigkeiten in Form kleiner Löcher, die durch Unachtsamkeit der Handwerker entstanden waren und die natürlich zur Undichtigkeit geführt haben, nicht auffindbar und damit auch nicht reparabel waren. Reumütig bin ich zu den altbewährten bituminösen Dachbahnen zurückgekehrt. Zum einen waren diese mehrlagig. Damit war die Wahrscheinlichkeit der Undichtigkeit an ein und derselben Stelle praktisch Null. Zum anderen haben bituminöse Dachdichtungsstoffe die Eigenschaft, unter Sonneneinstrahlung aufzuschmelzen, sodass kleine Löcher sich selbst wieder dichten.
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Bereits in den siebziger Jahren hat Raimund Probst 147 darauf hingewiesen, dass auf Flachdächern Osmose stattfindet. In jedem ordentlichen Biologiebuch können Sie nachlesen, was das ist. Voraussetzung für osmotische Vorgänge sind zwei Sachen:
Halbdurchlässige (semipermeable) Membranen Unterschiedliche Lösungen mit verschiedenen Lösungsdrücken.
Bituminöse Dachdichtungsbahnen verhalten sich vor allem bei Erweichung, die im Sommer unvermeidbar und grundsätzlich auch vorteilhaft ist, wie semipermeable Membranen . Die unterschiedlichen Lösungen entstehen unter der Dachhaut durch zufällig eingeschlossenes Wasser und auf der Dachhaut durch Wasserlachen, in denen der angeflogene Dreck und auch Streusalz zu einer gesättigten Lösung mit hohem Lösungsdruck führen. Das Ergebnis besteht darin, dass Moleküle der gesättigten Lösung durch die Dachhaut in das dort eingeschlossene Wasser wandern und dort das Wasservolumen vergrößern. Im Sommer wird dieses Wasser dampfförmig und führt zur Blasenbildung auf der Dachhaut. Irgendwann platzt die Blase dann auf und das Dach ist undicht. Außerdem ist der Dämmstoff unter der Dachhaut nass geworden. Bei einer Dachbegehung werden solche Blasen aufgestochen. Das noch unter Druck stehende Wasser bildet dann einen hübschen, aber sehr unerwünschten Springbrunnen. Ein weiteres kommt hinzu: Flachdachkonstruktionen werden nach einem bauphysikalischen Modell gebaut, das davon ausgeht, dass der eindiffundierende Wasserdampf nur aus den unter dem Flachdach befindlichen Räumen stammt. Daher werden unter dem Dämmstoff, in welchen der Wasserdampf unter gar keinen Umständen eindringen darf, Dampfsperren eingebaut, die auch hervorragend funktionieren, wenn es sich dabei um Baustoffe mit eingearbeiteten Metallfolien aus Kupfer oder Aluminium handelt. Bei sorgfältig gearbeiteten Flachdächern ist daher ein Wasserdampfeintritt von unten in die Dämmschicht nahezu unmöglich. Und dennoch kennen wir Bauschäden, die auf Tauwasserbildung in der Dämmschicht beruhen. Was passiert da denn eigentlich? Ganz einfach. Wenn im Sommer das Flachdach oben heiß wird, 80 °C sind da keine Seltenheit, werden die oben liegenden Dachhäute weich und damit auch dampfdurchlässig. Nun kommt ein schweres Sommergewitter bei sehr hoher relativer Luftfeuchte. Die Luft ist sehr warm und die relative Luftfeuchte ist nahe am Sättigungspunkt. Damit haben wir ein Dampfdruckgefälle von oben nach unten. Der Wasserdampf wandert sodann von oben in die Dämmschicht ein, die bestimmungsgemäß im unteren Bereich natürlich kühl ist. Der Wasserdampf kondensiert somit im Dämmstoff – mitten im Sommer148. Das nun 147 148
In der Fachwelt bedeutender und anerkannter – aber auch bekämpfter – Analytiker von Bauschäden, der unnachsichtig den Ursachen von Bauschäden nachgespürt hat. Ebenso besteht an schwül-heißen Sommertagen ein Dampfdruckgefälle von oben nach unten.
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tropfbar gewordene Wasser verbleibt nun für alle Zeiten im Dämmstoff. Dieses mehrfach sich wiederholende Ereignis führt im Verlaufe einiger Jahre zum völligen Absaufen des Dämmstoffs. Trotz sorgfältiger und völlig normgerechter Bauweise ist auch dieses Flachdach zum totalen Sanierungsfall geworden. Was also tun? Gegen Osmose auf Flachdächern hilft nur eines. Das Flachdach muss ein ausreichendes Gefälle haben, sodass Wasserlachenbildung nicht stattfindet und die Stoffe, die zusammen mit dem Wasser eine Lösung bilden können, ständig bei Regenwetter abgeschwemmt werden. Unter 5% Gefälle geht da nichts. Gegen Tauwasserbildung in der Dämmschicht gibt es ein einfaches aber leider sehr teures Verfahren 149. Lassen Sie als Dämmstoff nur Schaumglas zu. Schaumglas ist nämlich völlig dampfdicht und kann keinen Wasserdampf aufnehmen. Die untere Dampfsperre kann dann weggelassen werden, wodurch ein Teil der Mehrkosten des Schaumglases aufgefangen wird. In die Diskussion um die EnEV haben sich nun die Hersteller von Schaumglas eingeschaltet.. Die Anforderungen an die Dicke von Dämmstoffen auf Flachdächern sind nämlich so überzogen, dass eine Dämmung mit Schaumglas für den Normalbauherrn unerschwinglich geworden ist. Bei einer von der Schaumglasindustrie gesponserten Veranstaltung mit anschließender Verköstigung habe ich in der Diskussion daher die Frage gestellt, wie die Schaumglasindustrie zu den verordneten Dämmstoffstärken stünde, da doch offensichtlich nun massive Absatzprobleme bestünden und welche Dämmstärken denn aus der Sicht der Schaumglasindustrie zu einem ausreichenden Wärmeschutz führen würden. Der Referent dieser Veranstaltung, Prof.Dr.-Ing. Gerd Hauser , der in der Fachwelt bekannteste Anhänger und Promotor der EnEV, der in seinem Vortrag verkündet hatte, dass eine richtige Dämmung bei 15 cm Dicke erst begönne, hatte zu diesem Zeitpunkt die Veranstaltung bereits verlassen. Dies ermutigte den Vertreter der Dämmstoffindustrie auf meine entsprechende Frage zu der Aussage, dass nach eigenen Forschungen ein ausreichender Wärmeschutz, der sog. „Mindestwärmeschutz“, bereits bei 40 mm Dämmstärke erreicht sei. Schätzungsweise waren bei dieser Veranstaltung rund fünfhundert Architekten vertreten, die sich alle schon auf die ebenfalls gesponserte Verköstigung freuten. Die Aussage der Schaumglasindustrie war nun aber das glatte Gegenteil dessen, was der Hauptreferent des Abends aus professoraler Sicht verkündet hatte. Das Ergebnis war, dass die versammelte Zuhörerschaft sich in atemloses Schweigen flüchtete und Trost bei den kulinarischen Genüssen suchte. Ich meine, dass unter dem Gesichtspunkt der Tauwasserverhütung 40 mm Schaumglas völlig ausreichen. Auch unter dem Gesichtspunkt der sparsamen 149
Spätestens hier folgendes: „Es gibt nicht billiges oder teueres Bauen, sondern nur richtiges Bauen“.
(Zitiert nach Raimund Probst)
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Energieverwendung ist das völlig ausreichend, wenn man sich von dem Warmluftbehältermodell der DIN 4108 befreit hat. Dennoch würde ich die Dämmstärke etwas vergrößern, da hierdurch etwas Gutes für den sommerlichen Wärmeschutz getan wird. Das von mir in den späten sechziger Jahren errichtete Flachdach, bei dem Schaumglas mit einer Dicke von 60 mm verarbeitet worden ist, funktioniert bis heute – – also nach fast vierzig Jahren – – tadellos; auch in bauphysikalischer Hinsicht. Die unmittelbare Sonneneinstrahlung wird hier durch eine etwa 60 mm dicke Rollkiesschicht von der Dachhaut offenbar wirksam abgeblockt. Dieses Flachdach ist übrigens gefällelos und lediglich über Wasserspeier entwässert. Ein Beweis dafür, dass wir Architekten auch von der Gnade leben, dass nicht jede leichtsinnige Konstruktion zwangsläufig zum Bauschaden führt. Umkehrdächer
Umkehrdächer sind Konstruktionen, bei denen die Dichtungsschicht unmittelbar auf der Dachdecke aufgebracht wird. Die Dämmstoffe werden hierauf lose aufgelegt, mit einer Schutzschicht abgedeckt und sodann mit Kies oder Gehwegplatten beschwert, damit die leichte Dämmschicht nicht vom Wind weggeblasen wird. Der Witz dieser Bauweise besteht darin, dass hierfür Dämmstoffe verwendet werden, die Wasser nicht oder nur vermindert aufnehmen können. Der Vorteil besteht einmal konstruktiv darin, dass die Dichtungsschicht durch die Dämmung völlig geschützt auf einer massiven Unterlage liegt, damit größeren Temperaturschwankungen nicht unterworfen ist und vor allem dem UV-Licht aus der Sonneneinstrahlung entzogen ist. Dies kommt der Haltbarkeit der Dichtungsschicht zu gute. Die Konstruktion muss auch nicht dampfdicht sein, da der durch die Dichtungsschicht wandernde Wasserdampf völlig harmlos ist. Vollkommen unschädlich ist auch, dass zeitweise zwischen Dämmschicht und Dichtung Wasser steht. Ich selbst bevorzuge diese Konstruktion gegenüber dem Warmdach entschieden, zumal sie auch preiswerter als eine Warmdachkonstruktion ist. Warum dennoch immer noch Warmdächer gebaut werden, ist mir nicht ganz erklärbar. Flachdächer mit Kaltdachraum
Hier handelt es sich um „unechte“ Flachdächer, die nur so aussehen „als ob“. Bei ihnen sind die Funktionen strikt getrennt. Auf der Dachdecke liegt lediglich die Dämmschicht, deren Ergänzung ich mit einer reflektierenden Schicht unter der Dämmschicht empfehle. Dann kommt ein voluminöser, manchmal sogar bekriechbarer Dachraum. Dieser Dachraum muss wirksam be- und entlüftet sein, und über dem Ganzen befindet sich dann nur noch die Konstruktion mit der Dichtungsebene. Bauphysikalisch sind sie narrensicher, wenn die Lüftung des Dachraums richtig ausgeführt ist. Schlaue Architekten nutzen den Kaltdachraum zur Verlegung von Installationen aller Art, die aber so rechtzeitig geplant und ausgeführt werden müssen, dass der sonstige Bauablauf nicht behindert wird.
98 Attiken bei Flachdächern
Das sind hochgehende Mauerstücke oder Betonüberzüge am Flachdachrand, die deswegen geplant werden, weil es gut aussieht, wenn die Vorderkanten des Flachdachs abgedeckt sind. Sie verhelfen auch zu konstruktiv leicht herstellbaren Rändern des Flachdachs. Allerdings sind sie auch Problembauteile, da sie energetisch wie Kühlrippen wirken. Da hilft auch nicht eine noch so dicke und allseitige Dämmung. Bei Neukonstruktionen sollte man daher die Attika energetisch von der darunter liegenden Decke mit einem Dämmstoff trennen. Hierfür stellt die Schaumglasindustrie druckbelastbare Materialien bereit, die nicht billig aber wirksam sind. Durchgänge Durchgänge bei Flachdächern
Rat an meine Kollegen: Machen Sie einen eigenen Werk- und Detailplan nur für das Dach. Sie werden – – wie ich – – immer wieder überrascht sein, wie viele Durchgänge von allen möglichen Bauteilen, die durchwegs auch Wärmebrücken sind, sorgfältig konstruiert werden müssen. Die Konstruktion dieser Details verleidet einem regelrecht die Freude am Flachdach. Denken Sie im Interesse Ihres Bauherrn auch an folgendes: Flachdächer sind hervorragende und vollständig erschlossene Baugrundstücke. Planen Sie die Aufstockung über dem Flachdach gleich mit ein. Denken Sie daran, dass Dachterrassen, die dann meistens gewünscht werden, für eine Verkehrslast von 3,5 kN/m² ausgelegt werden müssen. Sagen Sie das dem Statiker. Das alles kostet nicht viel. Auch wenn Sie die Aufstockung des Flachdachs selbst nicht mehr erleben sollten, sollten Sie sich des späten Danks der Enkel Ihres Bauherrn versichern. Ein kleines Dankgebet ist auch etwas Schönes, weil es die Aufenthaltsdauer im Fegefeuer verkürzt. Hierzu auch ein wichtiger baurechtlicher Hinweis. Wenn Sie eine Flachdachsanierung vernünftiger Weise durch die Errichtung eines geneigten Daches durchführen wollen, kann es Ihnen passieren, dass der brave Baubeamte Ihnen einen Bebauungsplan vorlegt, wonach nur Flachdächer zulässig seien. Bleiben Sie dennoch freundlich und ganz ruhig. Das Bundesverwaltungsgericht hat nämlich unter dem Az: 4 C 14.98 am 11.05.2000 ein für allemal entschieden, dass derartige Festsetzungen in Bebauungsplanen rechtswidrig und nichtig nichtig sind. Im § 9(1) BauGB fehlt nämlich im Katalog der festsetzbaren Gebäudeeigenschaften eine Aussage zu Dachneigungen. Auch bei Planungen, die nach § 34 BauGB zu beurteilen sind, also in Bereichen ohne Bebauungsplan, gilt das Gleiche. Das Bundesverwaltungsgericht hat nämlich den Grundsatz aufgestellt, dass eine Gemeinde durch das Unterlassen eines Bebauungsplanverfahrens nicht besser gestellt sein darf als sie es wäre, hätte sie einen Bebauungsplan aufgestellt. Sollte der Baubeamte noch Widerstand zeigen, kündigen Sie eine Normenkontrollklage an, bei der die Nichtigkeit des gesamten Bebauungsplans festgestellt werden soll. Das hilft immer.
99 Strömungen in und an Gebäuden
Zunächst sollten wir uns mit dem Gesetz des Bernoulli 150 vertraut machen. Es ist ganz einfach. Es besagt nämlich, dass die Summe aus statischem und dynamischem Druck in strömenden Medien stets gleich ist. Nun müssen wir nur noch wissen, was diese beiden Arten des Drucks bedeuten. Auch das ist nicht schwer. Nehmen wir ein praktisches Beispiel, den Gartenschlauch. Ist er zugedreht, fließt nichts. Allerdings steht er unter Druck. Das ist der statische Druck. Da wir uns hier hauptsächlich mit strömender Luft befassen, ist da der statische Druck gleichbedeutend mit dem Luftdruck wie ihn uns die Wetterämter mitteilen oder den uns das Barometer anzeigt. Steht die Luft, hat sie nur statischen Druck, den Luftdruck eben. Drehen wir nun den Gartenschlauch auf und halten die Hand gegen den Wasserstrahl. Spüren wir eine Druckkraft. Das ist der dynamische Druck. Leiten wir nun – nun – z.B. z.B. mittels eines Ventilators – Ventilators – Luft Luft durch ein Rohr, gerät sie in Bewegung und hat nun auch Bewegungsenergie (kinetische Energie). Halten wir am Rohrende unsere Hand vor die Öffnung, spüren wir den Druck, den die bewegte Luft ausübt. Das ist auch hier der dynamische Druck. Nach dem Gesetz des Bernoulli ist die Summe beider Druckarten stets gleich. Also muss – wenn – wenn die Luft bewegt wird und damit dynamischen Druck erhält, gleichzeitig der statische Druck abnehmen, der Luftdruck im Rohr wird also geringer – – exakt um das Maß des dynamischen Drucks. Das ist es also im Grossen und Ganzen. Das widerstrebt allerdings unserem physikalischen Gefühl, da man eigentlich annehmen müsste, dass sich der Druck im Rohr erhöhen müsste. Was allerdings – – betrachten wir als Ausgangsdruck den atmosphärischen Luftdruck – – nur insoweit stimmt, als der Pumpendruck natürlich hinzu addiert werden muss. Haben wir es aber mit Vorgängen zu tun, bei denen keine Zusatzenergien von außen eingetragen werden, vermindert sich der statische Druck stets um das Maß des dynamischen Drucks, der bei strömenden Medien gegeben ist. Damit haben wir die Möglichkeit, durch entsprechende Techniken den statischen Druck zu senken, nicht aber zu erhöhen. Nun ein paar Beispiele, die Sie aus dem Alltag kennen und möglicherweise bis heute nicht weiter darüber nachgedacht haben: Aus dem Physikunterricht vergangener Tage erinnern Sie sich noch an die Wasserstrahlpumpe. Das war eigentlich nichts anderes als ein Glasrohr mit einem seitlichen Abzweig. Wurde auf den Abzweig ein Gummischlauch aufgesteckt und sodann der Wasserhahn aufgedreht, wurde über den Gummischlauch Luft angesaugt. Damit konnte man in Glasgefässen die Luft absaugen. Der hohe dynamische Druck hat hierbei den statischen Druck im Glasrohr verkleinert, es bestand somit Unterdruck, zu dem die Luft aus dem Glasgefäss geströmt ist, da Luft stets vom hohen zum niedrigen Druck strömt. 150
Daniel Bernoulli, 1700 – 1782, 1782, schweizerischer Mathematiker und Physiker
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Als Autofahrer ist Ihnen schon aufgefallen, dass dann, wenn Sie einen LKW überholen, Ihr Fahrzeug magisch zum LKW hingezogen wird, Sie also gegensteuern müssen. Haben Sie den LKW schließlich überholt, treibt es Ihr Fahrzeug wieder stoßartig nach links weg. Auch hier wirkt Bernoulli. Zwischen den beiden Fahrzeugen befindet sich nämlich eine strömende Luftmasse, die den statischen Druck senkt. Auf der linken Seite haben Sie allerdings den normalen Luftdruck. Damit haben wir eine von links wirkende Kraft, der rechts eine erheblich kleinere Kraft gegenübersteht. Bleiben wir beim Auto in Verbindung mit Zigarettenrauchen. Der Zigarettenrauch strömt dann, wenn Sie das Seitenfenster nur einen kleinen Spalt weit öffnen, zum Spalt hin. Bernoulli sagt, dass die vorbeiströmende Fahrtluft im Spalt zu einem Unterdruck führt. Segler nützen das Gesetz des Bernoulli dadurch, dass an gekrümmten Segeln der Wind an der bauchigen Seite einen längeren Weg zurücklegen muss und daher schneller wird. Somit entsteht auf der Bauchseite ein Unterdruck. Das Segel zieht etwa rechtwinklig zur gedachten Segelsehne. Da die dahinter stehende Kraft eine Vorwärtskomponente hat, nimmt das Boot Fahrt in Kielrichtung auf 151. Wegen der Querkomponente legt sich das Boot zu Seite, es krängt. Nach dem gleichen Prinzip funktionieren auch die Tragflächen eines Flugzeugs oder der Vögel152. Für Gebäude ist die „Düsenwirkung“ von Bedeutung. Sie besteht darin, dass in engen Spalten, durch die Luft hindurchgeht, sich diese enorm beschleunigt und in der beschleunigten Zone der statische Druck fällt. Dorthin strömt Luft, die unter normalem Druck steht. Zum Schluss noch ein kleines Experiment: Nehmen Sie zwei aufeinander liegende Papierblätter und blasen Sie von der Seite. Erwarten würde man, dass die beiden Blätter auseinander getrieben werden. Das Gegenteil tritt aber ein. Die Blätter saugen sich regelrecht zusammen. Auch hier ist zwischen den Blättern der statische Druck abgefallen, sodass sie vom umgebenden Luftdruck zusammengedrückt werden. Nun aber zu strömungsbedingten Erscheinungen an Gebäuden. Geneigte Dächer
Vor allem flachgeneigte Dächer ähneln in Firstnähe einer Tragfläche. Bei heftigem Wind entsteht auf der Dachoberfläche Unterdruck, der ausreicht, dass lose aufgelegte Pfannen regelrecht abgesaugt werden. Da der Unterdruck an der Leeseite153 besonders groß ist, werden Dächer meistens dort abgedeckt. 151
Damit wird auch erklärbar, weshalb ein Segelboot schneller als der Wind sein kann. Eissegler können schneller als 100 km/h werden und das bei mäßiger Brise.
152
Das hat der Luftfahrtpionier Otto Lilienthal erforscht und persönlich ausprobiert, was er letztlich mit dem Leben bezahlen musste.
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Windabgewandte Seite
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Sparen Sie also nicht an Sturmklammern. Bei steilen Dächern kommt es hinterm First zu kräftigen Wirbeln, die ebenfalls zu Unterdruck führen und Dachpfannen abtragen können. An Blechdächern mit geringem Reibungswiderstand können sich so große Unterdrücke aufbauen, dass es die Blecheindeckung samt Unterkonstruktion abreißt, die sodann hunderte von Metern durch die Gegend segelt. Gefährdet sind auch geklebte Flachdächer, wenn die Dachhaut nicht ordentlich mit dem Untergrund verklebt ist oder nicht beschwert ist. Ihr Statiker weiß das und berücksichtigt bei seinen Lastannahmen auch Windsog. Die vorgeschriebenen Lastannahmen scheinen mir jedoch zu gering zu sein, da die Tabellen nur kräftige Winde berücksichtigen, nicht jedoch die Böenstösse, bei denen die Windstärke 12 weit übertroffen werden kann. Wer schon jemals selbst eine statische Berechnung für Dachkonstruktionen aufgestellt hat, weiß, dass die Windkräfte die mit Abstand größten auf die Konstruktion einwirkenden Kräfte sind. Die Amerikaner scheinen sich einen Dreck um diese Problematik zu scheren, obwohl sie regelmäßig unter Tornados zu leiden haben. Daher werden die amerikanischen Billigpfuschhäuser von Tornados einfach aufgesaugt und ganze Siedlungen bestehen dann nur noch aus Trümmerhaufen, denen man die mistige Bauweise ansieht. Gebäudeecken
Pfeift der Wind um ein Gebäude, kommt es tatsächlich zu Pfeifgeräuschen. An Gebäudeecken, jedoch auch an Traufkanten gerät die Luft in Schwingungen, die hörbar sind. Die Vorderkanten von Fensterlaibungen sind ebenfalls derartige Ecken. Das Gebäude wird also zu einer Art Musikinstrument für eine bedrohlich wirkende Darbietung. Bauphysikalisch von Bedeutung ist, dass sich der Wind an Gebäudeecken enorm beschleunigt. Damit wird in diesen Zonen der konvektive Energieabtrag außerordentlich verstärkt. Gebäudeecken werden somit auch deshalb zur Kühlrippe. Sicherlich ist das einer der Gründe, weshalb sich in diesen Bereichen verstärkt auch auf den Innenflächen Kondensat bildet – mit Schimmel im Gefolge. Was ist hiergegen zu tun? Soweit der Kühlrippeneffekt strömungsbedingt ist, müsste man also die Gebäudeecken so ausbilden, dass die Strömungsgeschwindigkeit vermindert wird. Dies lässt sich durch eine Rundung der Ecke bewerkstelligen. Hierdurch wird auch das Flächenverhältnis von Gebäudeoberfläche zu Innenecke verbessert154. Denkbar wären aber auch Eckausbildungen, bei denen unmittelbar Einfluss auf den Strömungsverlauf durch bestimmte Formgebungen genommen wird. Der Erfinderfreude sind hier keine Grenzen gesetzt.
154
Man spricht hier von der „geometrischen Wärmebrücke“
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Strömungen in Fensterfälzen
Ich bin felsenfest davon überzeugt, dass luftdichte Fensterkonstruktionen, wie sie derzeit gefordert werden, ein Verstoß gegen die Regeln der Baukunst sind. Sie verhindern nämlich den erforderlichen Luftaustausch in Wohnungen, der noch vor der zur Hysterie entarteten Energiekrise mit dem Wert von 0,6-fach je Stunde gefordert war. Ein zugiges Fenster ist jedoch auch keine Freude. Wir benötigen daher Fensterkonstruktionen, die zwar luftdurchlässig sind, bei Wind jedoch zugfrei sein müssen. Betrachten wir also unter diesem Gesichtspunkt die Zone zwischen Fensterrahmen und Fensterstock: 155 Bei einem einfach konstruierten Fenster haben wir mindestens zwei Anschläge und einen quer zur Fensterfläche verlaufenden Spalt von etwa 2 – 3 mm Dicke. Strömungstechnisch ist dieser Spalt wie eine Düse zu sehen, die dann zu arbeiten beginnt, wenn sich vor und hinter dem Fenster verschiedene Luftdrücke aufbauen. Diese entstehen immer bei Wind. Auf der Luvseite des Gebäudes herrscht der normale Luftdruck, vermehrt durch den dynamischen Druck der bewegten Luft, der hier recht zutreffend als Staudruck bezeichnet werden kann. An der Leeseite herrscht entsprechender Unterdruck. Das nun vorhandene Druckgefälle bildet sich beim luftdurchlässigen Haus auch innen drin aus. Im Ergebnis entstehen so in den Fälzen Strömungsgeschwindigkeiten, die bis zu 150 km/h betragen können. Außerhalb der Fälze baut sich diese Geschwindigkeit sehr rasch ab, wirkt jedoch an der Luvseite des Hauses noch so weit nach, dass ein unangenehmer Luftzug verspürt wird. An der Leeseite ist nichts zu spüren, da hier ja die Luft ausströmt. Die alten Tischlermeister hatten da ein sehr wirksames Gegenmittel. Sie frästen nämlich im Stock und im Rahmen je Falz halbkreisförmige Hohlkehlen von etwa 5 mm Ø ein, die sich gegenüberstanden. Die im Falz strömende Luft verwirbelt in diesen Hohlkehlen. Die Verwirbelung entzieht der strömenden Luft soviel Bewegungsenergie, dass die Zugerscheinungen recht gut vermieden bleiben. Bei Windstille ist die normale Durchlüftung gewährleistet. Diese alte Handwerkstechnik sollte wieder belebt werden. Das Rosenheimer Fensterinstitut sollte sich dieser Sache einmal annehmen. Das sollte spätestens dann geschehen, wenn der Unfug, dass Fenster luftdicht zu sein hätten, überwunden ist. Darauf deutet einiges hin. Als neuer triumphaler Erfolg wird ja schon die Erfindung der perforierten Lippendichtung gefeiert. Türanschläge
Der gute alte Türanschlag am Fußboden ist aus der Mode gekommen. Noch weniger beliebt sind Türschwellen, die nun „Stolperschwellen“ heißen. Auch der Spalt zwischen der Unterkante Tür und Oberkante Bodenbelag ist eine strömungstechnische Düse mit enormer Vergrößerung der Luftgeschwindigkeit. Besteht der Bodenbelag aus textilen Stoffen, macht sich die Düsenwirkung in 155
In norddeutschen Regionen wird der Fensterstock „Blendrahmen“ genannt.
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einem hässlichen Schmutzstreifen unter der Tür bemerkbar. Staub und Dreck werden dort in den Belag regelrecht hineingeschossen. Wenn schon eine Türschwelle oder ein Anschlag nicht sein sollen, sollte man dort wenigstens genau unter dem Türblatt ein schmutzunempfindliches Material einbauen, z.B. eine Holz- oder Metallleiste, die man oberflächenbündig einsetzen kann. Damit wäre auch nebenher das Problem des Belagstosses in Türlaibungen befriedigend gelöst. Offene Feuerstellen
Sie sind ein beliebtes Spielzeug, bei dem der Mensch nach Herzenslust zündeln kann. Meine Bauherren, die so etwas haben und dafür auch viel Geld ausgeben, berichten, dass der Blick ins offene Feuer beruhigend ist und entspannt. Das ist ein beachtlicher Gesichtspunkt. Der praktische Nutzen eines offenen Kamins besteht auf jeden Fall darin, dass er eine sehr gute Raumentlüftung auch ohne Feuer bewirkt. Auch kann er in Krisenzeiten nützlich sein, da man einen Schornstein im Haus hat, an den ein Kanonenofen angeschlossen werden kann. Entscheidend für die Freude am offenen Kamin ist jedoch, dass er „zieht“, also Rauchaustritt in den Raum auch in kleinen Mengen nicht vorkommt. Der Bauherr sollte sich das garantieren lassen. Ich plane offene Feuerstellen selber. Nachdem der erste von mir geplante Kamin ein vollkommenes Fiasko war, hat mich ein Regensburger Ofenbauer vom altem Schlage in die Geheimnisse seiner Kunst eingeweiht. Bei dieser Gelegenheit stieß ich auch auf das Gesetz des Bernoulli, das beim Bau eines offenen Kamins die entscheidende strömungstechnische Grundlage ist. Zuvor ist jedoch zu berücksichtigen, dass ein offenes Feuer sehr große Mengen an Rauchgasen produziert, die keine große Temperatur haben. Daher kann ein offener Kamin nur an einen ausreichend dicken Schornstein mit einer Mindestöffnung von 25 x 25 cm angeschlossen werden. Runde Querschnitte sind zu bevorzugen, da sie strömungstechnisch weniger Auftriebsenergie benötigen. Wichtig ist auch, dass – wenn irgend möglich – die Verbrennungsluft weniger dem Raum sondern überwiegend der Aussenluft entnommen wird, was ein wohlgeplantes Luftleitungssystem erforderlich macht. Lässt man die Verbrennungsluftzufuhr von außen weg, entnimmt der offene Kamin die Verbrennungsluft dem Raum selbst, was nur bei ausreichender Raumgrösse möglich ist. Energiewirtschaftlich ist das sehr ungünstig, da die für viel Geld erwärmte Raumluft zum Schornstein hinausgejagt wird. Ein kleiner aber wichtiger Tipp an meine Kollegen: Wenn sich im Haus auch noch mechanische Abluftanlagen, z.B. in Küchen Wrasenabzüge befinden, dürfen diese nicht in Betrieb sein, wenn zugleich das offene Feuer brennt. Unsere braven Bezirksschornsteinfegermeister, die über eine unumschränkte Machtfülle verfügen, sagen nämlich, dass eine mechanische Abluftanlage dazu führen könnte, dass Abgase vom offenen Feuer in den Raum gesaugt werden könnten. Ein Verbotsschild am Wrasenabzug reicht leider nicht. Ich könnte mir eine Lösung vorstellen, dass man beim offenen Feuer einen Thermostaten einbaut, der bei erhöhter Temperatur den Stromkreis abschaltet, an dem der Wrasenabzug hängt. Sachen gibt’s!
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Von entscheidender Bedeutung ist aber die Formgebung des sog. „Kaminhalses“ oberhalb der Feuerstelle. Dieser muss nämlich einen lang gezogenen, aber sehr schmalen Spalt enthalten, höchstens 6 – 8 cm eng. In diesem Spalt kommt es zu einer Düsenwirkung. Die Rauchgase beschleunigen sich dort auf große Geschwindigkeit. Nach dem Gesetz des Bernoulli über die Konstanz der Summe von statischem und dynamischen Druck kommt es in der Düse zur kräftigen Erhöhnung des dynamischen Drucks und somit zum Abfall des statischen Drucks, der so ausgeprägt sein muss, dass auch noch an der Feueröffnung Unterdruck gegenüber dem Luftdruck im Raum besteht. Das erfreuliche Ergebnis ist, dass unter diesen Bedingungen die Raumluft stets zur Feuerstelle hinströmt und niemals Rauchgase aus der Feueröffnung in den Raum wandern. Bei einem gut gebauten Kamin hat man diese Wirkung sogar dann, wenn gar kein Feuer brennt. Strömungen im Städtebau
Das Gesetz des Bernoulli funktioniert in jedem Maßstab, also auch in grossräumlichen Strukturen. Daher sollte es auch bei städtebaulichen Planungen berücksichtigt werden. Enge Straßenzüge wirken wie Luftkanäle. Auf Plätzen beruhigt sich die Luftströmung. Eine sinnvolle Kombination führt zur Stadtbelüftung, sie kann Frischluft aus Grünanlagen gezielt verteilen. Bereits Vitruv156 hat hierauf bei seinen Anleitungen zum Bau von Städten hingewiesen. Viel ist daraus aber nicht geworden. Nun sollte es als Lehrfach im Städtebau erforscht und wenigstens als Nebenfach eingeführt werden. Der Coandaeffekt
Wenn Warmluft an Wänden aufsteigt, bleibt diese gewissermaßen an der Wand kleben. Dieser Effekt bleibt an Wandflächen in Abhängigkeit von deren Rauhigkeit bis zu einer Höhe von etwa 2,00 m wirksam. In diesem Bereich kommt es daher zu einer gleichmäßigen Wandtemperierung ähnlich wie bei einem Wandheizungssystem . Der Effekt ist allerdings sehr zugempfindlich. In Verbindung mit sog. „Fussleistenheizungen“ kommt der Coanda- Effekt sehr gut zur Wirkung. Auch hier gilt Bernoulli. Die aufströmende Luft bildet Miniwirbel aus, die wandseitig nach unten gerichtet sind. Zwischen Wirbel und Wand bildet sich ein Unterdruck aus, der dazu führt, dass der Warmluftschleier an der Wand haften bleibt. Kellergeschosse, energetische Betrachtungen
Kellergeschosse unterscheiden sich energetisch beträchtlich von Obergeschossen. Zum einen werden sie von exogener Energie aus der Sonne nicht erreicht. Zum anderen grenzen sie unmittelbar an Erdreich an, also an einen Festkörper. Energieverlagerungen erfolgen daher ausschließlich durch Wärmeleitung. Der obere Bereich des Erdreichs unterliegt jahreszeitlichen Temperaturschwankungen. Nach alter Handwerksregel kann das Erdreich bis zu einer Tiefe von etwa 0,80 m einfrieren. In den tiefer liegenden Schichten dagegen haben wir recht stabile Temperaturverhältnisse. In eng bebauten 156
Vitruvius, geb.ca. 80 v.Chr., römischer Bauingenieur und Architekt, X libri de architectura.
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städtischen Bereichen wurden Durchschnittstemperaturen von 14 °C als üblich gemessen, in offen bebauten Gebieten liegen die Temperaturen bei etwa 11 °C. In Tiefen unter 8,00 m steigt die Bodentemperatur bereits merklich an, weil sich dort bereits die Erdwärme bemerkbar macht. Sehr übel ist, dass die oberflächennahen Bodenschichten durch Wärmeabstrahlung weit unter die Umgebungslufttemperatur auskühlen können. Ich selbst habe hier bereits Temperaturen im Bereich von - 40 °C gemessen. Wir haben also im oberflächennahen Bereich völlig andere bauphysikalische Randbedingungen als in den tieferen Lagen unter 1,00 m Tiefe. Dazu eine kurze Erklärung: Die Auskühlung der oberflächennahen Bodenschichten beruht überwiegend auf Abstrahlung von Wärmeenergie. Wir wissen bereits, dass hierbei der Emissionskoeffizient ε eine entscheidende Rolle spielt. Rasenflächen haben einen kleinen Emissionskoeffizienten von etwa 0,40, Pflasterflächen, Asphaltund Betonbeläge von etwa 0,95. Da ist also die Abstrahlung mehr als doppelt so groß wie bei Rasenflächen. Wir können also dadurch, dass wir auf befestigte Flächen zugunsten von Rasenflächen am Haus verzichten, die energetischen Randbedingungen in den oberen Bereichen des Kellermauerwerks erheblich verbessern. Betrachten wir zunächst den unbeheizten Keller. Der bleibt eben kühl. Die Erfahrung zeigt, dass im Winter unbeheizte Keller Raumlufttemperaturen zwischen 5 – 11 °C haben. Die starke Schwankung hängt davon ab, wie viel Wärmenergie durch die Kellerdecke vom Erdgeschoss aus immittiert wird. Problematisch ist die im Sockelbereich gegebene Wärmebrücke, die vor allem dann sehr groß wird, wenn durch Abstrahlung das angrenzende Bodenmaterial stark auskühlt. Da sind dann Temperaturgefälle aus dem Erdgeschossdeckenbereich zum Sockel hin von 50 K völlig normal. Tauwasserschäden im Sockelbereich gehen hierauf fast immer zurück. Dagegen hilft nur eine strikte Unterbrechung der Wärmebrücke durch dämmendes Material, das druckfest und wasserbeständig sein muss. Die Schaumglasindustrie stellt uns solche Baustoffe zur Verfügung. Im Baubestand bleibt nichts anderes übrig, als den Sockelbereich nachträglich zu dämmen. Die Dämmschicht muss natürlich beständig sein. Auch hier ist das Beste gerade gut genug – Schaumglasplatten also. Wenn´s der Geldbeutel zulässt, dämmen Sie gleich bis auf eine Tiefe von etwa 1,00 m, weil Sie dann auch gleich die Wärmebrücke im oberen Bereich des Kellermauerwerks beseitigt haben. Sollten Sie den Keller nachträglich beheizen wollen, haben Sie dann schon dämmtechnisch das Nötige getan. Im beheizten Keller verlangt die EnEV eine üppige Dämmung des Kellerfussbodens und ebenso natürlich der Kellerumfassungen. Die sind allerdings zumindest im gleichmäßig beheizten Keller überflüssig. Nach Norm gilt die Aussenoberfläche eines Kellermauerwerks als Systemgrenze. Dies ist allerdings reine Willkür. Durch einfachen Willensakt ist es uns erlaubt, die
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Systemgrenze auch außerhalb der Wandoberfläche festzulegen. Das tun wir jetzt. Wir legen die Systemgrenze von nun an völlig willkürlich 1,00 m vor der Kelleraussenwand fest und ebenso unter der Unterkante des Kellerfussbodens. Nun können wir getrost eine Berechnung des Dämmwerts unserer Gesamtkonstruktion unter Einschluss eines Erdkörpers von großer Dicke veranstalten. Uns siehe da, wir haben einen wunderbar kleinen U-Wert ermittelt. Sie wenden sofort ein, dass das ja bedeutet, dass man nun auch den Erdkörper aufheizen muss.157 „Richtig“ lautet da meine Antwort. „Aber das kostet doch Geld“, sagen Sie. Wiederum richtig. Das können wir aber ausrechnen. Vor einiger Zeit habe ich das einmal getan. Hierbei bin ich von einer Ausgangstemperatur des Erdkörpers von 10 °C und einem Temperaturgefälle von 30 K ausgegangen. Berücksichtigt habe ich weiterhin die Wärmekapazität von halbtrockenem Erdreich, die ich einer Tabelle entnommen habe. Das Ergebnis war auch für mich überraschend. Bei den derzeit recht hohen Preisen für Heizöl kam ich auf einen Betrag von nur € 1, --/qm Konstruktionshüllfläche. Dieser Betrag liegt weit unter den Kosten einer Dämmschicht vor Kellermauerwerk oder unter einem Kellerfussboden. Die Kosten der Aufheizung sind übrigens nur ein einziges Mal aufzubringen, da bei der Masse des Erdkörpers die sich in kleinem Rahmen abspielenden Abkühlungsprozesse158 kaum nennenswert sind, zumal im Sommer eine ständige Nachheizung des Erdkörpers aus dem Kellergeschoss auch bei abgestellter Heizung erfolgt. Wenn Sie genügend gesetzesuntreu, zum Ausgleich hierfür aber vernünftiger als der Gesetzgeber sein wollen, lassen Sie zukünftig aufwändige Dämmungen im tiefer gelegenen Bereich des Kellergeschosses weg. Sie sind offenkundig nutzlos und führen zur Geldverschleuderung. Heiztechnik
Wir kommen nun zu einem ganz wichtigen Abschnitt dieser bauphysikalischen Betrachtungen. Zum einen kostet die Gebäudeheizung sehr viel Geld und wird in Zukunft noch teurer werden. Die Energiepreise sind in einem stetigen Wachstum begriffen. Heizkosten sind daher ein erheblicher Teil der Lebenshaltungskosten. Zum anderen ist die Heiztechnik von großer gesundheitlicher Wirkung. Hierbei müssen wir uns verdeutlichen, dass unsere Gebäude an acht von zwölf Monaten beheizt werden. Das sind zwei Drittel des Jahresverlaufes, in denen wir uns ein künstliches Raumklima herstellen, das uns in dieser Zeit umgibt. Gemessen daran ist das, was sich die Baukunst hierzu bisher hat einfallen lassen, kümmerlich und kaum unterbietbar schlecht gelungen. Auch hier wird wieder einmal sichtbar, dass eine unvernünftige Normung richtigen Entwicklungen entgegenwirkt. Was fordert denn die Norm zum Nachweis einer 157
158
Die Aufheizung des Erdkörpers findet findet auch bei außen gedämmten gedämmten Konstruktionen statt. Nur dauert es etwas länger.
Steht das Gebäude im Grundwasser, können Sie das eben Gelesene gleich wieder vergessen. Grundwasser führt die ins Erdreich eingeleitete Energie nahezu verzögerungsfrei ab. Dort müssen Sie also dämmen und dichten.
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richtig gebauten Heizanlage? Sie verlangt, dass eine Messung der Raumlufttemperatur in Raummitte und in etwa 150 cm Höhe einen Wert von 18 – – 21 °C zeigen muss. Ist das erreicht, hat der Heizungsbauer den unwiderlegbaren Beweis dafür geleistet, dass er eine ordentliche Heizanlage abgeliefert hat. Ebenso kann sich der Fachingenieur für Heizungsanlagenbau einer tadellosen Ingenieurleistung berühmen. Wie bereits eingangs dieser Schrift gefordert, muss sich der Bau einer Behausung an den Bedürfnissen des Menschen orientieren und nicht an einem Thermometer. Also gilt es jetzt, die Bedürfnisse des Menschen an ein richtiges Raumklima herauszufinden. Hierbei ist die Raumlufttemperatur ein wenig bedeutender Teil des Raumklimas. Das Raumklima hat folgende Bestandteile:
Lufttemperatur, relative Luftfeuchte, Strahlungsklima.
Bemerkenswert bei diesen Parametern eines ordentlichen Raumklimas ist, wie noch näher erläutert werden wird, dass Lufttemperatur und Luftfeuchte sich ohne weiteres Zutun auf die Bestwerte von selbst einstellen, wenn durch ein richtiges Heizsystem das bestmögliche Strahlungsklima erreicht worden ist. Empirisch bin ich zu der Auffassung gekommen, dass folgende Werte Kennzeichen eines guten Raumklimas sind: Lufttemperatur 20 °C Wandoberflächentemperatur 21 °C (Strahlungsklima) Relative Luftfeuchte 40 – 40 – 45 45 % Konvektive Heiztechniken erreichen zwar mühelos die richtige Raumlufttemperatur, allerdings verfehlen sie die richtige relative Luftfeuchte ebenso wie das Strahlungsklima. Hinzu kommt, dass untaugliche Heiztechniken, allen voran konvektive Heizsysteme – Heizsysteme – auch auch noch mit sehr hohen Betriebskosten verbunden sind. Machen wir also – also – auch auch mit den nachfolgenden Erläuterungen – den – den konvektiven Heiztechniken den Garaus 159: Beschreibung Beschreibung und Wirkung konvektiver Heiztechniken
Konvektionsheizungen erkennt man an den Heizkörpern, die sich vorwiegend unter Fenstern befinden. Die Heizkörperformen sind vielfältig. Da gibt es den Standardheizkörper, der aus einzelnen Rippen zusammengeschraubt wird 160, sodann kastenförmige Heizkörper mit glatter Blechoberfläche mit innen befindlichen Lamellen und auch einfache Heizplatten, die bei geringer 159
Eine sehr detaillierte Darstellung über dieses Thema enthält die Schrift des Verfassers „Die Tempe rierung“, die über den Verfasser als Manuskript bezogen werden kann Sie befindet sich neuerdings
auch auf der Homepage www.termosfassade.info . 160
Strömungstechnisch sind sie sie so geformt, dass Luft sehr schnell schnell zwischen den Heizkörperrippen nach nach oben geleitet wird.
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Heizleistung verwendet werden. Daneben gibt es Sonderformen aus Rohrregistern, Konvektoren mit eng aneinander gelöteten Lamellen, die meistens als Unterflurheizkörper eingesetzt werden und vieles anderes mehr. Designer versuchen erfolglos, derartige Heizkörper zu Kunstwerken umzuformen. Dennoch ist ein Heizkörper, gleichgültig wo er auch hängt oder steht, architektonisch immer störend. Reinigungstechnisch sind alle Heizkörper ein Unding. Die Rückseiten bleiben der tüchtig waltenden Haufrau für immer verborgen. Dort sammelt sich Staub und Dreck an, der bei hohen Betriebstemperaturen vor sich hinkokelt und ansonsten im Raum herumgewirbelt wird. Letztlich vernichten Heizkörper Stellflächen für Möbel. Die Aufgabe der Heizkörper besteht darin, Luft, die durch sie hindurchströmt, zu erwärmen. Da die Strömungstechniker und nun auch Sie wissen, dass konvektiver Energieübergang im Wesentlichen von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt, sind Heizkörper strömungstechnisch so geformt, dass die Luft innerhalb des Heizkörpers möglichst schnell strömt. Ein geringerer Teil der Wärmeabgabe erfolgt durch Abstrahlung, je nach Heizkörperform etwa 20% der Gesamtleistung. Die Energieabgabe von Heizkörpern wird recht zuverlässig durch Thermostatventile geregelt, die auf die Raumlufttemperatur reagieren. Die Basisregelung erfolgt ebenfalls in nicht mehr verbesserungsfähiger Weise durch die Regelung am Wärmebereiter, die sowohl Einflüsse aus einem im Freien angebrachten Thermostaten wie auch aus der Messung von Vor- und Rücklauftemperatur im Heizverteilungssystem verarbeitet. Die Regelung derartiger Anlagen kann nennenswert nicht mehr verbessert werden, seitdem moderne Computertechnik bei der Regelung von Heizanlagen Einzug gehalten hat. Allerdings endet die Regelung der Heizanlage just dann, wenn sie besonders notwendig wäre, nämlich dann, wenn die erhitzte Luft den Heizkörper verlassen hat. Sie bewegt sich unkontrolliert und nach dem Zufallsprinzip und der Überlegung, dass warme Luft aufsteigt, kalte Luft jedoch absinkt, im Raum umher. Im Normalfall entsteht hierbei eine Warmluftwalze. Von einer gleichmäßigen Raumerwärmung ist keine Rede. Besonders in hohen Räumen stellt sich ein großes Temperaturgefälle von oben nach unten ein. Deckenuntersichten können so warm werden, dass sie wie eine Deckenstrahlheizung wirken, von der man weiß, dass sie physiologisch höchst unbekömmlich ist. Dafür empfinden – – vorwiegend die Damen –, –, dass es am Fußboden zu kühl sei. Die erwärmte Luft erwärmt den Menschen natürlich nicht. Das könnte sie erst dann, wenn sie wärmer als der menschliche Körper wäre. Die erwärmte Luft hat dennoch eine wichtige Funktion. Sie muss nämlich die Temperatur der Umgebungsflächen auf den erforderlichen Wert von 21 °C anheben, damit es zum erforderlichen Strahlungsklima kommt. Geschieht dies nicht, fühlt sich der Mensch unbehaglich. Da stehen wir nun vor einem Dilemma. Eine Außenwand kann nur dann die nötige Oberflächentemperatur entwickeln, wenn die
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vorbeistreichende Warmluft wenigstens 3 – 5 K wärmer ist. Damit befindet sich jedoch die Lufttemperatur bereits im Unbehaglichkeitsbereich. Belässt man es bei einer Raumlufttemperatur von 20 – 21 °C, erwärmen sich die Innenflächen der Außenwände auf höchstens 14 – 17 °C. Dies reicht aber für ein richtiges Strahlungsklima nicht aus. Bei Konvektionsheizungen ist somit die richtige Kombination von Wandoberflächentemperatur und Lufttemperatur nicht möglich. Sie sind daher unbefriedigend und angesichts besserer Techniken, die noch erklärt werden, Fehlkonstruktionen, die vom Markt verschwinden sollten. Verschlechtert wird das dadurch, dass durch Kondensationsprozesse an den kühleren Außenwänden der überhitzten Raumluft Wasser entzogen wird und daher die relative Luftfeuchtigkeit auf Werte von etwa 20% absinkt. Eine derart niedrige Luftfeuchte ist gesundheitsschädlich, führt sie doch zur Austrocknung der Schleimhäute im Nasen – Rachenraum, die damit ihre keimabfangende Wirkung verlieren. Der sattsam bekannte Anstieg von Erkältungskrankheiten mit Eintritt der Heizperiode und mit dem damit verbundenen radikalen Wandel des Umgebungsklimas ist eine Folge der Konvektionsheizungstechnik. Auch die Körperhaut trocknet aus. Damit wird die Alterung der Haut beschleunigt, ein bei der Damenwelt höchst unerwünschter Nebenerfolg. Der mit dieser Heiztechnik verbundene Staubumtrieb verschlechtert die Situation zusätzlich. Konvektionsheizungen sind zwar immer noch Standard. Fordert man jedoch von einer Heizung, dass sie auch physiologisch unbedenklich sein müsse und stattdessen zum Behaglichkeitsgefühl des Menschen beizutragen habe, entpuppt sich die traditionelle Konvektionstechnik als Fehlkonstruktion. Auch unter dem Blickpunkt Konvektionsheizung schlecht ab:
der
Beheizungskosten
schneidet
die
Wir wissen, dass der Energieübergang von Luft in feste Körper davon abhängt, dass die Luft am Festkörper entlangströmt. Steht die Luft oder bewegt sie sich nur wenig, wird der Energieübergang vernachlässigbar gering, ein Grund dafür, dass stehende Luft nach Norm sogar als Dämmstoff angesehen wird. Die Heizkörper stehen fast immer vor Fensterflächen. Damit soll vermieden werden, dass die Raumluft an den Glasflächen abkühlt und sodann nach unten strömt und von dort aus sehr unangenehm am Boden entlang kriecht. Die erhitzte Luft strömt nun mit hoher Geschwindigkeit an den Glasflächen nach oben. Eine Strömungsgeschwindigkeit von 6 – 10 m/s ist hierbei normal, der Energieübergang folglich groß. Ein erheblicher Teil der in die Heizluft eingetragenen Energie geht daher am Fenster gleich wieder verloren. Die Luft strömt nun zur Raumdecke hoch und führt dort zur kräftigen Erwärmung. In meiner eigenen Altbauwohnung mit einer Raumhöhe von 3,35 m messe ich Lufttemperaturen von bis zu 35 °C unter der Decke, in Fußbodenhöhe jedoch nur 18 °C. Damit liefere ich meinem mir befreundeten Nachbarn Kaminski über mir eine für ihn kostenlose Fußbodenheizung, der Bewohner unter mir leistet mir den gleichen Dienst. Arm dran sind somit nur die Bewohner des Erdgeschosses und des Dachraums. Wegen des hohen Temperaturgefälles in den oberen Raumpartien zur Aussenluft sind dort die Energieverluste natürlich auch erheblich größer als in der Norm vorgesehen. Dort sind auch die
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Kondensationserscheinungen am ausgeprägtesten, sichtbar an der Vergrauung im Deckenbereich. Nur am Deckenixel 161 zeichnet sich ein blütenweisser Streifen ab. Das ist der Bereich, der strömungstechnisch von der aufsteigenden Warmluft nicht erreicht wird. Ebenso ist es in den Wandixeln. Wir haben bereits gesehen, dass sich ein angenehmes Raumklima erst dann einstellt, wenn die Oberflächentemperaturen der Umschliessungsflächen irgendwo zwischen 19 °C bis 21 °C liegen, da sich erst dann ein richtiges Strahlungsklima einstellt. Es geht also darum, dass Wärmeenergie in die Umschliessungsflächen eingetragen wird. Von allen Möglichkeiten, Wärmeenergie in eine Wand einzutragen, ist der durch Konvektionsheizungen vorgegebene Weg „Heizkörper – Luft – Wand“ die schlechteste – weil unwirtschaftlichste – Technik. Damit eine Ziegelwand mit Luft erwärmt werden kann, muss für jedes Grad Temperaturerhöhung etwa das zweitausendfache Luftvolumen an die Wand herangeführt werden. Da aber nur ein kleiner Bruchteil des Raumluftvolumens mit der Wand in Berührung kommen kann – der größte Teil der Luftmassen bewegt sich ja walzenförmig vor den Wänden – müssen ungeheuere Mengen Warmluft produziert werden, bis es irgendwann zu ausreichenden Wandtemperaturen kommt. Erkennbar wird dies dann, wenn ein ausgekühlter Raum – z.B. nach der Rückkehr aus dem Winterurlaub – aufgeheizt werden soll. Das dauert viele Tage, bis endlich halbwegs ausreichende Oberflächentemperaturen erreicht werden. Die alten Römer haben dieses Problem vor mehr als zweitausend Jahren schon weit intelligenter gelöst, weil sie nämlich die Heizluft unmittelbar in Hohlräume innerhalb der Umfassungswände eingeleitet haben. Das waren die sog. „Hypokausten“. Offenbar hatten die alten Römer auch schon eine Ahnung über die Rückgewinnung von Kondensationswärme, da man nämlich bei Ausgrabungen Reste von Hypokausten gefunden hat, in denen keinerlei Rußspuren vorhanden waren. Vermutet wird, dass dort nur mit Wasserdampf gearbeitet worden ist, der bei der Kondensation Wärmeenergie freigesetzt hat, ein Wirkungsprinzip, welches nun bei der sog. „Brennwerttechnik“ eingeführt worden ist162. Wir sehen also, dass trotz einer ausgeklügelten und sehr gut arbeitenden Regeltechnik Konvektionsheizungen als Gesamtsystem eine schlechte Lösung sind. Besser sind sie nur im Vergleich zu noch schlechteren Techniken, also der Ofenheizung. Luftdichte Bauweisen und kontrollierte Lüftung
Die Notwendigkeit, aus Sparsamkeitsgründen die Warmluft im Raum zu halten, da sie ja zur Wanderwärmung benötigt wird, hat angesichts der Verteuerung der Energiepreise den Zwang zum Bau luftdichter Gebäude herbeigeführt. Diese 161
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Unter einem Ixel versteht man die einspringende Ecke am Übergang von Wand zur Decke und ähnliche Geometrien in Räumen. Dieses Wort habe ich erst in Berlin kennen gelernt. Diese Information habe ich von meinem Kollegen Paul Bossert aus der Schweiz.
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Forderung steht aber in einem unüberbrückbaren Gegensatz zur notwendigen Frischluftversorgung. Wie hat man sich nun beim Normenausschuss, beim Verordnungsgeber und in der Gebäudetechnik diesem Problem gestellt? Zunächst hat man verbreitet, dass die alte Regel, dass für ein gesundes Raumklima ein stündlich 0,6-facher Luftwechsel erforderlich sei, so nicht mehr stimme. Ein 0,3-facher Luftwechsel würde völlig genügen. Da aber geschäftstüchtige Menschen das Wahnbild des „Nullenergiehauses“ propagieren, steht auch ein dreifacher Luftwechsel dem entgegen. Nun wäre es zwar möglich, durch genetische Manipulationen den Menschen in ein anaerobes Lebewesen163 umzubauen. Bei den hierfür zuständigen Biologen scheinen da aber noch gewisse Bedenken zu bestehen. Daher ist man auf den Ausweg verfallen, auf die natürliche Lüftung über Fenster zu verzichten und stattdessen sollen nun Klimaanlagen eingebaut werden, die in Kondensationsstrecken die in der Raumluft enthaltene Wärmeenergie zurückgewinnen. Das Ganze nennt sich nun „kontrollierte Lüftung“. Vorsicht aber! Ein einfaches Messgerät kann künftig die der Umgebung entnommene Frischluft, die mit der rückgewonnenen Energie wieder aufgeladen wird, messen. So wird es nicht mehr lange dauern, dass alsbald auch eine Frischluftsteuer erhoben wird. Wollen wir wetten? Zur Energieeinsparung tragen derartige Anlagen nicht bei. Klimaanlagen sind an Elektromotoren gebunden, die rund um die Uhr laufen müssen, weil der Mensch ja dauernd Frischluft benötigt. Bei einer Frischluftbeimengung von nur 20% führt dies dazu, dass im Tagesverlauf das Raumluftvolumen des gesamten Hauses etwa achtzehnmal durch die Klimaanlage verfrachtet werden muss. Das ist energieaufwändig. Da aber diese Elektroenergie nicht dem Heizenergieverbrauch zugerechnet wird sondern dem sonstigen privaten Konsum, werden die tatsächlichen Energiekosten verschleiert. Würde man auch noch den schlechten Wirkungsgrad zwischen Stromerzeugung und Stromverbrauch am Haus berücksichtigen, käme man ganz schnell zu dem Ergebnis, dass das Verbot der natürlichen Fensterlüftung und der Zwang zur kontrollierten Lüftung zu einer erheblichen Primärenergieverschleuderung führt. Bei sog. „kontrollierenden Lüftungsanlagen“ verbreiten die Verkäufer auch systematisch falsche Behauptungen wie beispielsweise die, dass die Wärmerückgewinnung, die nach dem Gegenstromprinzip funktioniert, ein 100%-iger Wirkungsgrad bestünde. Das Gegenstromprinzip funktioniert in der Weise, dass die aus dem Gebäude abzuführende verbrauchte – aber warme – Luft in einem wärmedurchlässigen Innenrohr geführt wird, das sich innerhalb eines Aussenrohrs befindet, über das die Frischluft eingeführt wird. Nach diesem Prinzip kann es aber im günstigsten Falle nur zu einer Energiemischung kommen, d.h., dass die Hälfte der Energie, die sich in der Abluft befindet, verschwindet im Freien, die andere Hälfte wurde zurückgewonnen. Das ist zwar besser als nichts, von einer vollständigen Wärmerückgewinnung nach diesem Prinzip können wir bis auf weiteres aber nur träumen. Schamhaft wird auch 163
Anaerobe Lebewesen kommen ohne Sauerstoff aus. Das bekannteste Beispiel hierfür sind Gärungs bakterien.
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verschwiegen, dass sich in den Lüftungsleitungen Bakterienstämme ansiedeln, die völlig neuartig sind, sodass der Mensch hiergegen noch keine Abwehrreaktionen ausbilden konnte. Derzeit wird daher an aufwändigen Entkeimungstechniken gearbeitet, die derartige Anlagen natürlich auch nicht verbilligen werden. Radon
Bereits in meiner Schrift „Die Temperierung“ habe ich darauf hingewiesen, dass in schlecht gelüfteten Räumen der Radongehalt ansteigt. Radon ist ein Zerfallsprodukt des Elements Uran, das in der Erdrinde entsteht und sich normalerweise verflüchtigt. In schlecht gelüfteten Räumen sammelt es sich aber an und erreicht sehr hohe Werte. Durch meine Warnungen vor Radon habe ich mir den Ruf eines Hysterikers eingehandelt. Während ich dieses schreibe, häufen sich in den Zeitungen die Berichte über neueste Forschungen, die aussagen, dass etwa 10% der Lungenkarzinome auf die hohen Radonbelastungen in schlecht gelüfteten Räumen zurückgeführt werden. Die Idee des luftdichten Hauses muss also aufgegeben werden. Es bleibt bei der alten Regel, dass über natürliche Querlüftung ein 0,6-facher Luftwechsel sichergestellt werden muss. Die Temperierung
Unter diesem Begriff 164 versteht man Wandheizungstechniken. Die Ursprünge dieser Heiztechnik gehen auf die alten Römer zurück. Sie hatten für ihre Bäder eine Heiztechnik entwickelt, bei der durch Hohlräume in Wänden und Fußböden Heizgase aus Holzfeuern durchgeleitet wurden. Das waren die sog. „Hypokausten“. Als die Römer den Bereich nördlich der Alpen besetzten, exportierte die III. Italienische Legion, die überwiegend aus hochzivilisierten Syrern bestand, diese Technik in den germanisch - alemannischen Raum. Ausgrabungen zeigen, dass diese Technik weit verbreitet war. Im ebenfalls von den Römern importierten Steinhausbau war diese Technik Standard. Die Hypokaustentechnik führte zu einer Erwärmung der Innenwandoberflächen und damit zu einem angenehmen Strahlungsklima in den Räumen. Diese Heiztechnik geriet in Vergessenheit. Unsere heutigen Zentralheizungen sind ein Kind der Industrialisierung und technologisch ein Abkömmling der von James Watt im 18.Jhdt. erfundenen Dampfmaschine. Die Bausteine der inzwischen auch veralteten Dampfheizung befanden sich durchwegs auch in Dampfmaschinen. Das war der Kessel – der heute noch so heißt, obwohl er mit einem alten Dampfkessel nichts mehr gemein hat – und Röhren, durch die der Dampf geleitet wurde. Die ersten Heizkörper waren nichts anderes als Röhren, an die man Rippen angeschweißt hatte. Das energetische Prinzip bestand mit der Entwicklung der zentralen Dampfheizung aus einem zentralen Wärmebereiter, einem Wärmeverteilungssystem aus Röhren und einem Wärmeabgabesystem aus 164
Der Begriff wurde durch Dipl.-Ing.Grosseschmidt, Landesamt für Denkmalpflege in München ge prägt.
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Heizkörpern. An den Heizkörpern wurde Luft erhitzt, die sich unkontrolliert herumbewegte. Prinzipiell hat sich seit der Mitte des 19. Jhdts. an unseren Zentralheizungsanlagen nichts mehr verändert. Erst seit etwa fünfzehn Jahren beginnt sich die Idee durchzusetzen, dass ein angenehmes und bekömmliches Raumklima temperierte Umschliessungsflächen benötigt und dass dieses sogar das Wichtigste bei der Raumbeheizung ist. Betrachtet man daher die Temperierung der Wandoberflächen als eigentliche Aufgabe einer Heiztechnik, liegt der Gedanke nahe, dass man die Wärmeenergie unmittelbar in die Wände einleitet. Technisch ist das problemlos möglich. Temperieranlagen bestehen aus Heizleitungen, die in Schleifen auf den Wänden montiert und eingeputzt werden. Damit das Ganze funktioniert, muss eine Temperieranlage sorgfältig geplant werden. Hierbei kommt es darauf an, dass in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit des Mauerwerks der richtige Leitungsabstand gewählt wird. Weiterhin ist wichtig, die Länge der einzelnen Heizkreise zu vereinheitlichen, wobei die Anbindeleitungen der Heizkreise in die Leitungslänge einzurechnen sind. Mit Wandheizkreisen werden außerdem nur Außenwände belegt. Hierzu gehören auch Trennwände an nicht beheizten Treppenhäusern. Die Anlagen sind so zu planen und zu betreiben, dass eine möglichst gleichmäßige Oberflächentemperatur zwischen 19 – 21 °C erreicht wird. Die optimale Vorlauftemperatur liegt bei etwa 30 °C. Ist die Anlage richtig eingeregelt, liegt die Rücklauftemperatur etwa 4 K niedriger 165. Nun aber zur Physik von Temperieranlagen. Im Bauwesen hat sich die Unsitte eingebürgert, dass immer dann, wenn etwas Neues und Ungewohntes eingeführt wird, sich ein Heer von Kritikern bemüßigt fühlt, daran herumzumäkeln und dummes Zeug zu verbreiten. Hierbei stelle ich immer wieder fest, dass diese Kritiker sich niemals ernsthaft mit der neuen Technik auseinandergesetzt haben sondern mehr ins Blaue hinein ihre oft abstrusen Kundgebungen in Umlauf setzen. Seit sich im Internet Diskussionsforen 166 gebildet haben, haben diese Leute auch eine Spielwiese, auf der sie sich eifrig betätigen. Fast immer bleiben sie anonym. Manchmal denke ich, dass das Beste an diesen Foren darin besteht, dass angehende Psychiater hervorragendes Anschauungsmaterial darüber vorfinden, dass technische Sachverhalte, die man eigentlich sachlich erörtern könnte, zum Vorwand massiver persönlicher Verunglimpfung werden und dass Menschen eine Befriedigung darin suchen, mit Schaum vor dem Mund hasserfüllte Botschaften zu verbreiten. Da ich mich selbst gelegentlich in solchen Foren zu Wort melde, weiß ich, von was ich rede. Da gibt es aber noch ein anderes, bisher noch nicht sehr auffällig gewordenes Verhalten, das aber beunruhigend ist. Einige der anonymen Hasser haben mir in persönlichen Botschaften geoffenbart, dass ihre Tätigkeit in den Foren durch 165
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Da man mich für einen Experten für Temperieranlagen hält, wurde ich gebeten, eine fachliche Anleitung zur Planung und zum Bau auszuarbeiten. Dies soll nun auch alsbald in Zusammenarbeit mit der Kupferindustrie geschehen, die ein für Temperieranlagen sehr gut geeignetes Material herstellt. Es würde den Rahmen dieses Buches sprengen, wollte ich technische Einzelheiten zum Bau von Temperieranlagen bekannt geben. Hier sollen daher nur die physikalischen und physiologischen Wirkungen dieser Heiztechnik behandelt werden.
z.B. www.bau.de
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diejenige Industrie honoriert würde, deren Produkte und Verfahren in Zweifel gezogen würden. Das ist natürlich ein Übelstand. Dem sollten die Betreiber derartiger Foren damit entgegenwirken, dass sie anonyme Teilnehmer nicht mehr zulassen. Nun aber zu den Einwänden gegen die Temperiermethode:
Temperieranlagen seien teurer als „normale“ Heizanlagen. Temperieranlagen seien zu träge. Temperieranlagen führten zu erhöhtem Energieverbrauch wegen des höheren Temperaturgefälles in der Außenwand. Temperieranlagen seien schlecht regelbar. Temperieranlagen seien nicht genormt und nicht berechenbar. Möbel “verschatten“ die Wärmeabstrahlung
Bei der Behandlung dieser Einwände werden wir nun auch die physikalischen Ereignisse bei der Temperiermethode kennen lernen. Die Kosten einer Temperieranlage
Da ich seit vielen Jahren Temperieranlagen bauen lasse, die ganz normal geplant und ausgeschrieben werden, kann ich heute sagen, dass Mehrkosten gegenüber einer Konvektionsheizung nicht entstehen. Die Einrichtung des Heizraumes ist von üblichen Einrichtungen nicht nennenswert unterscheidbar. Jedoch kann der Wärmebereiter kleiner dimensioniert werden. Erheblich teurer ist die Verlegung der Wandheizungsleitungen, wo immer mehrere Hundertmeter zusammenkommen. Je Quadratmeter Außenwand ist da mit etwa 4,50 lfm zu rechnen. Die Anbindeleitungen sind hierbei enthalten. Geringfügige Mehrkosten entstehen auch bei den Verputzarbeiten über Wandheizleitungen wegen der etwa 5 mm Mehrstärke. Dagegen entfallen wiederum Kosten für eine aufwändige Regelung, da sich eine Temperieranlage nahezu von selbst regelt. Sodann entfallen alle Heizkörper, die Mehrkosten für Heizkörpernischen, die Versetzkosten für Heizkörperhalter, die Thermostatventile und die beachtlichen Kosten der Lackierung von Heizkörpern und der frei liegenden Anbindeleitungen. Weiterhin müssen im Rohbau keine Leitungsschlitze hergestellt und wieder verschlossen werden, ebenso entfallen dort die Rohrdämmungen. Berechnet man spaßeshalber einmal alle mit der Heizanlage verbundenen und auch gewerkübergreifenden Kosten, scheint sogar eher eine Kosteneinsparung einzutreten. Die Wirtschaftlichkeit wird dadurch verbessert, dass Instandsetzungsarbeiten an Heizkörpern völlig entfallen. Die Intervalle für die Instandsetzung von Wandoberflächen verdreifachen sich, da die sonst übliche Vergrauung der Wandoberflächen nicht mehr stattfindet. Letztlich liegen die Betriebskosten einer Temperieranlage etwa 30 – 40% unter denen einer Konvektionsheizung. Die Trägheit von Temperieranlagen
Temperieranlagen – insbesondere an massiven Mauerwerksbauten – sind in der Tat träge, prüft man dies anhand der Raumlufttemperaturen nach. Da es aber auf die Raumlufttemperatur nicht ankommt sondern auf die
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Oberflächentemperaturen der Wände, stellt sich eine Temperieranlage sogar als „flink“ heraus, da nach etwa sechs Stunden Anheizzeit sich die richtige Temperatur bereits einstellt. Bei Konvektionsheizungen dauert das mehrere Tage. Richtig ist allerdings, dass eine Temperieranlage auf wechselnde Aussenlufttemperaturen nur sehr langsam reagiert. Dies ist allerdings kein Nachteil, zumal die Reaktionszeit, die mehrere Stunden beträgt recht gut zu dem Zeitraum passt, den eine Wetteränderung benötigt. Weil das so ist, wird eine Temperieranlage auch nicht über einen Aussenfühler geregelt sondern nur über Innenraumthermostate. Das erhöhte Temperaturgefälle in der Außenwand
Das Temperaturgefälle in der Außenwand von innen nach außen ist etwa 3 – 4 K höher als bei einer Konvektionsheizung. Damit erhöht sich – rechnet man nach DIN 4108 – der Transmissinoswärmestrom unter der Annahme einer minimalen Aussentempertaur von – 15 °C um etwa 2 %, vorausgesetzt man rechnet richtig auf der Kelvinskala. Nach den Vorgaben der EnEV würden damit die Heizkosten im gleichen Masse steigen. Das wäre wenig. Allerdings sieht es erheblich günstiger aus. Eine Temperieranlage reduziert nämlich die Stofffeuchte in der Außenwand auf nahezu den Betrag „0“. Das Fraunhoferinstitut für Bauphysik hat erst jüngst ermittelt, dass hierdurch die Wärmeleitzahl des Mauerwerks auf ein Viertel des Tabellenwerts verkleinert wird. Damit viertelt sich nach der bereits bekannten Gleichung von Fourier auch der Transmissionswärmestrom. Rechnerisch kommt es daher zu einer drastischen Energieeinsparung trotz des etwas höheren Temperaturgefälles in der Außenwand. Weitere – auch tatsächliche – Einsparungen entstehen dadurch, dass an Fensterflächen wegen der nahezu ruhenden Raumluft der konvektive Wärmeübergang von Luft in Glas sehr gering ist – so gering, dass bei temperierten Gebäuden sogar auf die Zweischeibenisolierverglasung verzichtet werden kann. Das freut die Denkmalpfleger ungemein, weil nun wieder Fenster mit sehr dünnen Sprossen gebaut werden können. Hinzu kommt, dass die Raumlufttemperatur etwa 3 – 4 K geringer gehalten werden kann. Auch damit mindern sich das Temperaturgefälle und die damit verbundenen Heizkosten. Der unmittelbare Energieeintrag über die Wandheizkreise in der Außenwand ohne den uneffektiven Weg über erwärmte Raumluft, die sich teilweise ins Freie verflüchtigt, ohne jemals die Wandflächen erreicht zu haben, ist ein weiterer Grund für die wirtschaftliche Betriebsweise von Temperieranlagen. Regelung von Temperieranlagen
Da das Ziel einer Temperieranlage darin besteht, die Wandoberflächen auf eine bestimmte Temperatur zu bringen, wäre die beste Regelungsmethode über einen Temperaturmessfühler, der in die Wand eingebaut ist. Leider ist derartiges jedoch noch nicht auf dem Markt. Mit zunehmender Verbreitung dieser Heizmethode wird jedoch in hoffentlich nicht allzu ferner Zeit die Messgeräteindustrie sich dieser Aufgabe stellen. Einstweilen müssen wir uns mit Raumthermostaten behelfen, die auf Raumlufttemperaturen reagieren. Hierbei
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wird verwertet, dass die Lufttemperatur – auf die es zwar nicht vorrangig ankommt – ein recht brauchbarer Indikator für den Strahlungszustand ist. Hierbei wird die Erfahrung verwertet, dass die Raumlufttemperatur stets um etwa 2 K unter der Wandoberflächentemperatur liegt. Von Nachtabsenkungen rate ich ab. Das, was in der Nacht an Heizenergie eingespart wurde, muss am zeitigen Morgen zusätzlich wieder aufgewendet werden. Eingespart kann daher hierdurch nichts werden. Häufig besteht der Wunsch, dass das Schlafzimmer kalt sein soll. Durch Drosselung der entsprechenden Heizkreise kann das gemacht werden. Allerdings ist hierbei folgendes zu bedenken: Der Wunsch nach kalten Schlafzimmern ist eine Folge der Konvektionsheizungen und der bei dieser Heiztechnik einhergehenden geringen relativen Luftfeuchte, die zur Austrocknung der Schleimhäute im Nasen-Rachenraum führt. Für den schlafenden Menschen ist das unangenehm, da eine halbwegs ordentliche Atmung nur noch bei geöffnetem Mund möglich ist, der jedoch sodann ebenfalls austrocknet. Von einem ruhigen und erholsamen Schlaf ist dann keine Rede mehr. In dieser Not haben die geplagten Schläfer empirisch herausgefunden, dass bei geöffnetem Fenster und hierdurch höherer relativer Luftfeuchte der Schlaf besser ist. Das hat zu der Überzeugung geführt, dass man in kalten Räumen besser schlafen könne. Allerdings hat man hierbei Ursache und Wirkung verwechselt. In einem temperierten Schlafzimmer bestehen diese Probleme nicht, weil die relative Luftfeuchte sich im optimalen Bereich von 40 – 45% befindet. Fehlende Normung und Berechnungen
Normen folgen stets der technischen Entwicklung hinterher. Daher gibt es für die noch recht junge Temperiermethode noch keine Normung und ebenso wenig genormte und allgemeinverbindliche Berechnungsverfahren. Dennoch kann heute – nach etwa 15 Jahren seit der Entwicklung der Temperiermethode – gesagt werden, dass sie zum „Stand der Technik“ gehört. Hierbei erinnere ich auch an den rechtlichen Wert von Normen, der keineswegs darin besteht, dass am Bau nur das erlaubt sei, was genormt sei. Vor allem befreien Normen nicht aus der Haftung des Planers und des Handwerkers. Daran zu denken ist auch, dass die Normung dem technischen Fortschritt zwangsläufig hinterherhinkt. Das dauert. Bei den Grundbauweisen hat das tausende von Jahren benötigt. Dass es bis heute keine „amtlichen“ Berechnungsverfahren gibt, ist für den Fachingenieur unbefriedigend. Ich selbst arbeite derzeit an einem Berechnungsverfahren, dessen Grundlage jedoch nicht in einer Variante der von Konvektionsheizungen her bekannten Verfahren besteht. Ausgangspunkt meines Berechnungsverfahrens ist das Strahlungsgesetz von Stefan-Boltzmann und die hiervon abgeleiteten Berechnungen für im Strahlungsaustausch stehenden Flächen167. Einstweilen genügt es jedoch vollauf, Temperieranlagen nach Erfahrungswerten zu planen. Auch ein einmal gefundenes 167
Z.B. Cerbe- Hoffmann, Einführung in die Thermodynamik, 10.Aufl., Hanser Verlag, S.351 ff.
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Berechnungsverfahren wird kaum einen nennenswerten Einfluss auf die Ausführung haben. Verschattung durch Möbel
Ein häufig gebrachter Einwand. Richtig ist, dass Möbel – aber auch Bilder – vor temperierten Flächen die abgestrahlte Energie absorbieren. Sie nehmen daher Energie auf. In einem solchen Fall strahlt also nicht die Wand sondern letztlich das Möbel Wärmeenergie ab. Daher findet – vom Ergebnis her betrachtet – eine Verschattung durch Möbel nicht statt. Vorteilhaft ist hierbei, dass es zu Tauwasser- und Schimmelbildung hinter Möbeln nicht mehr kommen kann, weil Möbel vor temperierten Wandflächen nicht mehr die Eigenschaften von Innendämmungen haben, die bei Konvektionsheizungen narrensicher zur Tauwasserbildung an der Wandoberfläche führen. Daher ist es auch kein Wunder, dass die ersten Temperieranlagen in Museen 168 gebaut worden sind, wo es ja bisher nicht möglich war, Exponate an Außenwänden aufzustellen ohne dass sich Schimmel gebildet hat. Temperieranlagen in Altbauten
Will man in einem Altbau eine Temperieranlage einbauen, ist das problemlos möglich. Unangenehm ist nur, dass für die Heizleitungen Schlitze in den alten Putz gefräst werden müssen. Das ist eine staubige und lärmende Angelegenheit. Erleichternd ist aber, dass die Temperierleitugen nur an den Außenwänden verlegt werden. Ist die Altbauwohnung bewohnt, sollte man daher etwa 150 cm hinter der Wand eine Staubschutzwand aus Latten und Folien einbauen und aus diesem Bereich alle Möbel entfernen. Bei zügiger Arbeit und falls es gelingt, die Handwerker zu einigen Überstunden zu überreden, kann die Sauarbeit an einem Tag erledigt werden. Nach etwa 14 Tagen muss dann die Wand gestrichen oder tapeziert werden. Besonders in der früheren DDR findet man häufig Altbauten vor, bei denen der Innenputz aus reinem Zementmörtel hergestellt worden ist. Der ist so hart, dass das Einfräsen von Leitungsschlitzen nicht mehr funktioniert. Dort ist es meistens das Beste, die Heizleitungen auf dem alten Putz zu verlegen und das Ganze neu einzuputzen. Je nach Putzbeschaffenheit müssen Haftbrücken aufgebracht werden, die erstaunlich gut funktionieren. (z.B. COMPAKTA) Ich empfehle auch, bei dieser Gelegenheit die alten Heizkörpernischen, die ja eine Schwachstelle im Mauerwerk sind, auszumauern. Hierfür empfehlen sich leicht bearbeitungsfähige Gasbetonsteine. Haben wir es mit Baudenkmälern zu tun, bei denen auf dem Verputz Wandmalereien gefunden werden, sollen diese natürlich nicht zerstört werden. Hier sollte man dann die Hypokaustentechnik einsetzen, die jetzt erklärt wird.
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Erfahrungsberichte des Bayerischen Landesamtes für Denkmalpflege (Dr. Grosseschmidt) im Bereich der nichtstaatlichen Museen.
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Die Hypokaustentechnik
Bereits die alten Römer hatten eine vorzügliche Heiztechnik, die darin bestanden hat, dass das Umfassungsmauerwerk unmittelbar beheizt worden ist. Dies wurde durch Hohlräume oder in die Mauer eingesetzte Tonröhren erreicht, durch die Heizgase geleitet worden sind, die von offenen Feuerstellen unter dem Erdgeschossfussboden ausgingen. In den Erdgeschossen wurden zugleich die Fußböden mit erwärmt. Das war allerhöchster Luxus. Ein Nachteil der altrömischen Hypokaustentechnik bestand darin, dass mehrere Sklaven – vergleichbar den heutigen Eineurojobbern – mit der Aufrechterhaltung der Feuerung beschäftigt waren. Da das Christentum mit der Sklaverei Schluss machte, verschwand damit auch diese vorzügliche Heiztechnik. Wichtig war bei der Hypokaustentechnik, dass die Heizgaskreise geschlossen und mit den Räumen nicht in Verbindung gestanden haben. Mit modernen Techniken ist es jedoch möglich, das Prinzip der Hypokaustentechnik wieder zu beleben. Vor allem bei denkmalgeschützten Fachwerkhäusern bietet sich das an. Die Aussenwandkonstruktionen historischer Fachwerkhäuser sind energetisch schlecht. Sie bestehen bekanntlich aus dünnen, 15 bis 18 cm dicken Ausfachungen aus Mauerwerk oder Lehm, die mit Holzwerk durchsetzt sind. Eine Aussendämmung, die die Tauwasserbildung an den Innenwandflächen verhindern könnte, kann nicht angebracht werden, weil hierbei das schöne Fachwerk verschwinden würde. Folglich bleibt nur eine Innendämmung als Lösung übrig, die aber bauphysikalisch höchst problematisch ist, da sich regelmäßig an der Anschlussfuge zwischen Dämmung und Ausfachung Tauwasser bildet. Eine unter Putz verlegte Wandheizung scheidet ebenfalls aus, weil hier ein entschieden zu großes Temperaturgefälle in der Aussenwandkonstruktion entstünde. Um alle diese Probleme zu lösen, habe ich folgende Konstruktion entwickelt: Nach Sanierung des Fachwerks und der fast immer erforderlichen Neuausfachung erfolgt auf der Innenseite folgender Aufbau:
Dämmschicht, z.B. Weichfaserplatten, Holzwolleleichtbauplatten. Vollflächige Verkleidung mit hochglänzenden Aluminiumfolien mit dichten Stößen. Vorsatzschale aus mineralischen oder anderen geeigneten Platten mit ca. 70 mm Abstand zur Aluminiumfolie mit Unterkonstruktion aus Holzlatten oder aus von Gipskartonständerwänden her bekannten Metallprofilen.
Die Unterkonstruktion ist so zu formen, dass Luftschächte gebildet werden, in denen Warmluft auf – und absteigen kann. An den Schächten mit aufsteigender Luft werden Kleinkonvektoren unmittelbar über dem Fußboden eingesetzt, die Teil eines Einrohrsystems sind. Fertig ist die Hypokaustenheizung. Die Kleinkonvektoren fördern erwärmte Luft nach oben, die in der Nachbarkammer wieder absinkt. Es entsteht somit ein geschlossener Warmluftkreislauf. Die Folge ist eine Erwärmung der Plattenverkleidung auf die
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gewünschten 21 °C, die zu einem richtigen Strahlungsklima im Raum führt. Da die Platte aber nach beiden Seiten Wärme abstrahlt, wird nun auch der Sinn der reflektierenden Schicht erkennbar, weil diese nämlich etwa 80% der Strahlung reflektiert. Zugleich ist die reflektierende Schicht auch die notwendige Dampfbremse, die vermeidet, dass aus der Raumseite Wasserdampf in die Umfassungswand eindringt. Vorteilhaft bei dieser Technik sind die Flinkheit des Systems und die erheblich geringeren Baukosten wegen des sehr geringen Materialaufwandes. Auch regelungstechnisch ist diese Heiztechnik sehr einfach zu handhaben. Wichtig ist auch hier – wie beim altrömischen Vorbild – dass die Warmluftkreise keine Verbindung zur Raumluft haben. Glas ist ein besondrer Saft
Glas ist eine Flüssigkeit mit extrem großer Viskosität , sodass es sogar als Wandbaustoff verwendet werden kann. Bei einem üblichen Gebäude in Massivbauweise nehmen Glasflächen einen beachtlich großen Flächenanteil für sich in Anspruch, nämlich 15 – 35% der Fassadenfläche. Daher lohnt es, die energetischen Eigenschaften von Glas näher zu betrachten. Die Wärmeleitfähigkeit von Glas ist nur etwa halb so groß wie bei Mauerwerk. Da es aber nur sehr dünn verarbeitet wird, ist der Dämmwert von Glas herzlich schlecht. Kommt es zu Konvektion an der Glasscheibe, stellen sich beachtliche Energieverlagerungen ein, insbesondere dann, wenn – wie üblich – unter den Fenstern Heizkörper angebracht sind, die dazu führen, dass erhitzte Luft sehr schnell am Glas vorbeistreicht. Hierbei sollten wir uns daran erinnern, dass die Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden der für konvektiven Wärmeübergang entscheidende Einfluss ist. Der unter dem Fenster befindliche Heizkörper führt dazu, dass der konvektive Wärmeübergang an der Glasscheibe etwa 50-mal größer wird. Das spricht gegen die Konvektionsheizung. Haben wir ein Wandheizungssystem, gibt es im Raum fast keinen thermischen Umtrieb der Luft. Damit haben wir auch am Fenster nur noch einen sehr kleinen Wärmeübergang, der es ermöglicht, auf Einfachverglasungen zurückzugreifen. Bei Baudenkmälern ist dies sehr erwünscht. Nun gibt es aber auch die Isolierverglasungen, die aus zwei Glasscheiben bestehen, deren Hohlraum mit getrockneter Luft gefüllt ist. Hierbei wird genutzt, dass stehende Luft ein guter Dämmstoff ist. Die Isolierglasscheibe ist daher ein Kind der Konvektionsheizung und bei derartigen Heiztechniken unverzichtbar. Auch gegenüber der Wärmestrahlung hat Glas sehr interessante Eigenschaften. Es ist nämlich nur für bestimmte Spektren durchlässig. Undurchlässig ist es für den sehr kurzwelligen UV-Bereich und aber auch für den langwelligen IRBereich. Pflanzen, die UV-Licht benötigen, verkümmern hinter Glasscheiben. Ebenso funktioniert die Hautbräunung hinter Glasscheiben nicht. Der Emissionskoeffizient von Glas ist sehr hoch und liegt bei etwa 5,45 W/m²K 4, also recht nahe bei dem des „schwarzen Strahlers“ mit 5,67 W/m²K 4. Was sind die Folgen dieser Eigenschaften?
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Das auf die Scheibe von der Sonne kommende UV-Licht wird absorbiert und führt zur raschen Temperaturerhöhung des Glases. Dies führt zu einer Abstrahlung des halben Energiebetrages in den Raum hinein. Die andere Hälfte wird in die Umgebung zurückgestrahlt. Das ankommende Sonnenlicht ist verhältnismäßig arm an IR-Strahlung, was folgenlos bleibt. Das übrige Lichtspektrum erreicht den Raum und führt dort zur Erwärmung der beschienenen Flächen durch Absorption. Die erwärmten Flächen emittieren wiederum Wärmestrahlung, nun aber in einem Spektralbereich, der vom Glas nicht durchgelassen, aber absorbiert wird. Auch davon wird die Hälfte in die Umgebung abgestrahlt, der Rest geht strahlend in den Raum zurück. Überprüft man diese Vorgänge genauer und quantifiziert sie einigermaßen sorgfältig, kommt man zu dem Ergebnis, dass Fenster nach den Sonnenseiten hin energetisch eine positive Bilanz haben, der Energieeintrag also überwiegt. Berühren Sie eine Fensterfläche mit der Hand, haben Sie den Eindruck der Kälte. Misst man jedoch die Glastemperatur, stellt man fest, dass die Glasscheibe die gleiche Oberflächentemperatur wie die anschließende Wand hat. Bei Einscheibenverglasungen liegt die Temperatur etwa 4 K niedriger, wenn es Winter ist. Was Sie gespürt haben, war der Vorgang der Wärmeleitung von der Hand zum Glas hin. Hierbei haben wir gelernt, dass Stofftemperaturen mit der Hand nicht sicher beurteilt werden können. Lassen wir das also sein. Eine weitere Eigenschaft von Glas ist von Bedeutung: Trifft Licht oder Wärmestrahlung unter flachem Winkel auf – diese Situation trifft vor allem für die Inneraumsituation überwiegend zu, kommt es zur Totalreflexion. Hierbei ist zu bedenken, dass auch ein Einscheibenglas zwei reflektierende Grenzschichten hat, nämlich auf der Innen-und der Außenfläche. Daher wird nur ein geringer Teil der von den Raumoberflächen ankommenden Strahlung absorbiert sondern bleibt dem Raum erhalten. Im Ergebnis stimmt daher die manchmal verbreitete Aussage, dass Glas für Wärmestrahlung undurchlässig sei. Streng physikalisch betrachtet stimmt das aber nicht. Nebenbei wissen wir nun auch, warum Fensterflächen in einer Fassade nahezu schwarz erscheinen, andererseits aber durch Reflektion dazu führen, dass Nordzimmer unerwartet in den Genuss von Sonneneinstrahlung kommen. Die Glasindustrie beeinflusst durch aufgedampfte 169 Beschichtungen das Verhalten von Glas gegenüber Strahlung. Leider sind derartige Gläser, die erheblich teurer als Normalglas sind, selten wirtschaftlich rentabel. Je nach Verwendungszweck behindern solche Beschichtungen, die meistens aufgedampft werden, entweder die Abstrahlung nach außen oder nach innen. Energetisch ist das aber ein Nullsummenspiel wenn wir die Heizkosten im Blick haben. Etwas sinnvoller wird das Ganze, wenn wir unsere Entscheidung darüber, ob wir bedampfte Gläser einsetzen wollen, getrennt nach den Himmelsrichtungen entscheiden. So kann auf Nordseiten eine reflektierende Bedampfung nützlich sein, da wir dort nicht überlegen müssen, ob wir da die Einstrahlung behindern. 169
Bedampfungen entstehen durch Kondensation von Metalldämpfen auf kälteren Flächen.
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Nach Norm und EnEV ist Glas eine energetische Schwachstelle in der Gebäudehülle. Tatsächlich ist Glas aber viel besser als sein Ruf. Das wäre auch rechnerisch belegbar, würde man in den vorgeschriebenen Berechnungen auch die Eigenschaften von Glas berücksichtigen, die mit dessen Verhalten bei Strahlungsprozessen zu tun haben. Die Glasindustrie sollte sich im eigenen Interesse dieses Themas annehmen. Da verhält sie sich ähnlich ungeschickt wie die Holzindustrie, die es bis heute versäumt hat, auf die hervorragenden Wärmespeichereigenschaften von Holz hinzuweisen. Wandheizungen und Einscheibenverglasungen
Die Sanierung von Baudenkmälern aus vergangenen Zeiten hat sich in der vergangenen Zeit zu einem neuen und umfangreichen Aufgabengebiet für Architekten entwickelt. Bei Bauwerken, die vor 1920 entstanden sind, war das übliche Fenster ein Einfachfenster aus Holz mit Einscheibenverglasung aus dem damals noch gezogenen Bauglas, das man an seiner welligen Form und an den eingeschlossenen Bläschen erkennt und das man auch nicht wegwerfen sollte, weil es in der Denkmalpflege ein begehrter Baustoff ist. Da produktionsbedingt die damaligen Scheibengrössen beschränkt waren, Glas auch teuer war, fanden die früheren Architekten heraus, dass der Glasverbrauch geringer war, wenn man die Scheiben klein hielt. Aus geometrischen Gründen war hierbei nämlich der „Verschnitt“ kleiner. Außerdem hing dem Baustoff Glas schon immer der Ruf der Zerbrechlichkeit an, sodass man schon beim Bau des Fensters an die Kosten einer Glasreparatur gedacht hat. Früher war es den Knaben erlaubt, auf den Strassen Fußball zu spielen und sonstigen Unfug zu treiben, während heute bei einem derartigen Treiben die Polizei auf den Plan tritt. Jedenfalls war die zerbrochene Fensterscheibe ein Alltagsereignis mit nachteiligen Folgen für den Taschengeldetat von uns Lausbuben. Das einfachverglaste Fenster mit Sprossen war die Normalkonstruktion. Bei Häusern für finanziell besser Gestellte hat man Kastenfenster eingebaut, die konstruktiv nichts anderes sind als hintereinander eingebaute Einfachfenster. Der Hauptvorzug der Kastenfenster besteht in der guten Schalldämmung. Die Vorstellung, wonach in alten Zeiten es in Städten weniger Lärm gegeben hätte, ist nicht haltbar. Der Transport von Menschen und Waren erfolgte mit Pferdefuhrwerken, die eisenbeschlagene Holzspeichenräder hatten. Die Fahrbahnen waren durchwegs mit Kopfsteinpflaster belegt. Dazu kam das Getrappel der eisenbeschlagenen Pferdehufe. Diese Mixtur führte zu einem infernalischen Lärm. Wohl dem, der da zur Straßenseite hin Kastenfenster hatte. Wenn sie daraufhin einmal die vorgründerzeitlichen Blockrandbebauungen untersuchen, werden Sie sehen, dass an den Innenhöfen Kastenfenster ganz selten sind. Dort herrschte nämlich himmlische Ruhe. Bei beiden Konstruktionen war die winterliche Eisblumenbildung ein Normalzustand. Der Grund hierfür lag in den anderen Nutzergewohnheiten. Die Belegungsdichte der Wohnungen war dreimal so hoch wie heute und damit verbunden auch der freigesetzte Wasserdampf in den Wohnungen. Vor allem die damalige Küchentechnik führte zu sehr hohen relativen Luftfeuchtigkeiten. Da wurden in den damals kinderreichen Familien nahezu ganztägig Windeln
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gekocht. Der holzbefeuerte Kochherd war tagsüber ständig in Betrieb und bereitete in dem rechts hinten befindlichen Wasserschiff permanent Heisswasser, wobei natürlich große Mengen Wasserdampf freigesetzt worden sind. Die „kleine Wäsche“ wurde natürlich in der Wohnung gewaschen und zum Trocknen aufgehängt. Das alles hat sich inzwischen grundlegend verändert. Der vor dem Fenster angeordnete Heizkörper ist Standard. Die dort erzeugte Warmluft streicht mit großen Geschwindigkeiten am Fenster entlang. Sie hat in dieser Phase eine hohe Temperatur, sodass das Temperaturgefälle zwischen Heizkörperluft und Glasscheibe bis zu 25 K beträgt. Damit nimmt die Wärmeübergangszahl (α), die ja im Wesentlichen durch die Strömungsgeschwindigkeit und den Temperaturunterschied zwischen Fluid und Festkörper bestimmt wird, sehr hohe Werte an, sodass in diesem Falle eine Isolierverglasung mit einem höheren Dämmwert, der durch die eingeschlossene stehende Luftschicht bewirkt wird, nützlich und richtig ist. Die Isolierglasscheibe ist ein Kind der moderneren Heiztechnik und hat sich ja auch erst dann im Bauwesen eingebürgert, als diese Heiztechnik allgemein üblich wurde. Das anfangs am Markt eingeführte Produkt hieß „Thermopane“, sodass man damals vor etwa vierzig Jahren ganz allgemein den Begriff „Thermopanescheibe“ als Synonym für Isolierverglasung verwendet hat. Verschwunden ist zugleich das Verbundfenster, das wegen eines von einem Tischlermeister Wagner erfundenen Beschlags „Wagnerfenster“ hieß. Hierbei hat es sich um zwei Einfachfenster gehandelt, die miteinander verriegelt waren. Kennzeichnend für alle modernen Fensterkonstruktionen mit Isolierverglasung sind die großen Holzquerschnitte. Sprossen in Verbindung mit Isolierverglasung sind wegen der notwendigen Einstandstiefen und der großen Glasgewichte mindestens 48 mm breit. Die traditionellen Sprossenbreiten aus historischer Zeit betrugen nur 24 mm. Soll nun ein Sprossenfenster im Sinne der Denkmalpflege gebaut werden, ist das mit Isolierverglasung nicht möglich. Der Anblick, den solche Fenster bieten, ist abscheulich, plump und denkmalwidrig. Noch schlimmer ist die Verzweiflungslösung mit dünnen Kunststoffsprossen im Glaszwischenraum und keinen Deut besser ist die aufgeklebte oder abklappbare Fenstersprosse. Bisher blieb es aber ein Wunschtraum der Denkmalpfleger, dass Sprossenfenster in der historischen Form gebaut würden. Sie stellen ja auch einen krassen Verstoß gegen die der Energieeinsparung dienenden Vorschriften dar, obwohl die EnEV Baudenkmäler von der Einhaltung der Vorschriften befreit hat. Und trotzdem ist es aber möglich, einfachverglaste Sprossenfenster zu bauen, wenn diese mit der Temperiermethode (Wandheizungstechnik) vereinigt werden. Wie kann das begründet werden? Betrachten wir also die energetischen Ereignisse an Fenstern daher einmal gründlicher. Der überwiegende Teil des Wärmeübergangs geschieht konvektiv, weil am Fenster ja nur die erwärmte Raumluft ansteht. Wir wissen auch, dass der Wärmeübergang, versinnbildlicht durch die Wärmeübergangszahl (α), im
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Wesentlichen von zwei Dingen abhängt, nämlich von der Temperaturdifferenz zwischen Glasscheibe und Raumluft und noch entscheidender von der Strömungsgeschwindigkeit der Raumluft. Diese beiden Größen haben mit der Fensterkonstruktion nichts und fast alles mit der Heiztechnik zu tun. Richtig konstruierte Wandheizungen führen dazu, dass alle Umschliessungs flächen eines Raumes, also Fußböden, Wände und Decken gleiche Oberflächentemperaturen von 20 – 23 °C haben. Somit ist auch die Lufttemperatur in allen Höhenlagen des Raumes gleich. Sie ist außerdem immer etwa 2 K kühler als die Umschliessungsflächen. Ein thermischer Luftumtrieb, wie wir ihn von Konvektionsheizungen oder Ofenheizungen her kennen, findet also nicht statt. Wir haben es also mit stehender Raumluft zu tun. Damit nimmt die Strömungsgeschwindigkeit am Fenster den kleinstmöglichen Wert „0 m/s“ an. Damit ist es uns erlaubt, mit der kleinsten Wämeübergangszahl (α) für Luft zu rechnen, nämlich mit 2 W/m². Dennoch kühlt die Luft an der Fensterscheibe geringfügig ab. Daher hat sie dort die Tendenz abzusinken. Dem wirkt jedoch der sofort einsetzende Auftrieb aus der umgebenden Luft entgegen, sodass wir es an der Fensterscheibe tatsächlich mit stehender Luft zu tun haben. Hierbei fällt uns ein, dass stehende Luft als Dämmstoff angesehen wird, sogar als der beste von allen. Könnten wir die Luft am Fenster sehen, würden wir bemerken, dass sich gelegentlich die Wasserdampfteilchen in der Luft zusammenschließen, also in sehr kleinen Mengen verklumpen. Das ist nichts anderes als Kondensation in der frei schwebenden Luft, die vor allem in einer wenige Zentimeter vor der Scheibe stehenden Grenzschicht stattfindet. Energetisch handelt es sich um ein Nullsummenspiel, da die geringfügige Abkühlung der Grenzschicht durch freigesetzte Kondensationswärme kompensiert wird. Überprüft man mit einem Messgerät die Lufttemperatur im Grenzschichtbereich, stellt man fest, dass dort die Luft im Winter etwa 2 K kühler ist als die Raumluft. Bei in dieser Art gebauten Konstruktionen – also der Kombination von Wandheizungen mit einfach verglasten Fenstern – findet auch keine Tauwasserbildung auf den Glasscheiben statt. Hierfür gibt es zwei Ursachen, nämlich eine ausreichend hohe Scheibentemperatur und eine verhältnismäßig geringe relative Luftfeuchtigkeit der Raumluft. Hierbei stößt man auf ein Phänomen, für das auch ich noch keine schlüssige Erklärung habe sondern nur Vermutungen. Bei der relativen Luftfeuchtigkeit in Räumen mit Wandheizung stellt man immer fest, dass sich diese ziemlich genau und mit sehr geringer Schwankungsbreite bei etwa 40% einstellt. Dieses Maß ist ein großer Vorzug von Wandheizungen, der unter gesundheitlichen Gesichtspunkten ein Optimum darstellt. Überprüft man nun auch noch die Innenoberflächentemperatur der Scheiben, stellt man fest, dass diese auf der Innenseite der Scheibe deutlich höher ist als auf der Außenseite. Auf Wärmeleitungsprozesse kann diese Beobachtung nicht zurückgeführt werden, da Glas ein recht ordentlicher Wärmeleiter ist und eine
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Scheibe ja auch außerordentlich dünn ist, sodass eine Glasscheibe einen ausgesprochen schlechten λ- Wert hat. Würde man daher eine Glasscheibe den in der DIN 4108 vorgeschriebenen Berechnungsverfahren unterziehen, müsste danach die Temperatur der Glasscheibe innen und außen gleich sein. Das ist sie aber nicht. Was steckt da eigentlich dahinter? Des Rätsels Lösung liegt im Verhalten von Glas gegenüber Strahlungsprozessen. Betrachten wird das also einmal ganz empirisch. Wenn wir Baustoffe auf ihr Verhalten gegenüber Strahlungsprozessen betrachten, ist zunächst der Emissionskoeffizient (ε) von großer Bedeutung. Bei Glas hat er einen überraschend hohen Wert, den man diesem Baustoff gefühlsmäßig gar nicht zutraut, nämlich 0,87. Dieser Wert sagt aus, dass die Absorptionsfähigkeit und die Fähigkeit zur Abstrahlung von Wärmestrahlung bei 87% der des sog. „Schwarzen Strahlers“ liegt. Das ist baupraktisch etwa der gleiche Wert, wie er z.B. bei Mauerwerk angetroffen wird. Ankommende Wärmestrahlung mit einem gemischten Wellenlängenspektrum wird von Glas somit zu 87% absorbiert und in Stoffwärme umgesetzt. Somit wird die Glasscheibe warm. Jetzt hat aber eine Glasscheibe noch eine weitere interessante Eigenschaft, Sie verfügt nämlich über zwei reflektierende Grenzflächen. Das ist einmal die Innenoberfläche, aber auch – und das ist sehr wichtig bei unserer Betrachtung – für von innen kommende Strahlung auch die äußere Oberfläche der Scheibe. Sehen wir uns die Reflexionen an, stellen wir fest, dass wir es sowohl mit Teilreflektion zu tun haben, wenn die Strahlung annähernd senkrecht auf die Scheibe trifft und mit Totalreflektion, wenn die Strahlung mit einem Winkel zur Scheibe steht. Betrachten wir darauf hin die Einstrahlungsrichtungen an Glasscheiben vor Räumen, wobei wir uns hier mit einer kleinen Systemskizze helfen können, müssen wir hierbei bedenken, dass von jedem Wandpunkt aus Strahlung völlig gleichmäßig nach allen Richtungen im sog. „Halbraum“ emittiert wird, also über einen Winkelbereich von genau 180 °. Die gefühlsmässige Vorstellung, dass Wärmestrahlung nur senkrecht von der Wand ausgeht, ist also falsch. Legen wir unsere Systemskizze nach dieser Erkenntnis an und zeichnen also von beliebig vielen Punkten aus Strahlungen nach allen Richtungen, stellen wir ganz empirisch fest, dass der überwiegende Teil der auf die Glasscheibe treffenden Strahlung schräg einfällt, somit sehr stark nach innen reflektiert wird und damit von der Glasscheibe nicht absorbiert werden kann. Der dennoch die äußere reflektierende Grenzschicht durchquerende Strahl wird zunächst in Abhängigkeit vom Brechungswinkel gebrochen, ändert also seine Richtung so, dass er auf die äußere reflektierende Grenzschicht etwas steiler auftrifft. Auch dort wird ein Teil der Strahlung reflektiert und nur ein geringer Rest an Wärmestrahlung – zu der übrigens auch der Spektralbereich des sichtbaren Lichts gehört – entweicht letztlich unwiederbringbar in die Umgebung. Nebenher: Ich vermute, dass diese Vorgänge auch der Grund dafür sind, dass Fensterflächen tagsüber in einer Fassade schwarz wirken. Schwarz ist ja immer
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ein Zeichen für nicht vorhandene Strahlung im sichtbaren Bereich. Die Erwärmung der Glasscheibe durch die Raumluft ist geringfügig, wie wir bereits gesehen haben. Die beobachtete hohe Scheibentemperatur geht somit auf die Teilabsorption von Wärmestrahlung zurück. Hierbei wird nun von Bedeutung, dass diese Wärmestrahlung nicht nur dem Innenraum entstammt sondern auch der Umgebung. Da wir es nun genauer wissen wollen, eine kleine Vergleichsrechnung der beiden Strahlungsquellen Innenwände und Umgebung. Wir betrachten hierbei eine weiß gestrichene Innenwand mit einer Oberflächentemperatur von 21 °C und eine Umgebung, die hier aus gegenüberstehenden, grau gestrichenen Hauswänden mit einer Oberflächentemperatur von 5 °C bestehen soll. Der Emissionskoeffizient (ε) der Innenwand beträgt 0,87, der der grauen Gebäudewand 0,92. Nach StefanBoltzmann können wir nun die Strahlungsleistung errechnen: Innenwand: 5,67 x 0,87 x ((273 + 21)/100) 4 =
368,55 W/m²
5,67 x 0,92 x ((2,73 + 5)/100) 4 =
311,55 W/m²
Gebäude:
Wir sehen zu unserer Überraschung und nicht geringen Freude, dass wir also eine exogene Einstrahlungsleistung haben, die sich gar nicht sehr von der Strahlungsleistung der Innenwände unterscheidet. Unsere Messungen zeigen nun Temperaturunterschiede zwischen den äußeren und inneren Glasoberflächen von 3 – 4 K. Da konvektive Prozesse ausscheiden, können diese Temperaturunterschiede nur auf die unterschiedlichen Einstrahlungsleistungen zurückgeführt werden. Vorsichtshalber betrachten wir in einer weiteren Berechnung nun auch die Abstrahlungsleistungen der Scheibe nach außen und nach innen. Ein typischer Messwert ist für innen eine Temperatur von 14 °C, für außen 11 °C. Der Emissionskoeffizient (ε) beträgt für beide Fälle einheitlich 0,87. Innenseite: 5,67 x 0,87 x (287/100)4 =
334,68 W/m²
Außenseite: 5,67 x 0,87 x (284/100)4 =
320,90 W/m²
Wiederum sehen wir recht Erfreuliches: Die Abstrahlungsleistung ein und derselben Scheibe ist nach außen geringer als nach innen. Vergleichen wir hierbei die exogene Einstrahlungsleistung in unserem Beispiel mit der Abstrahlung nach außen, errechnet sich der Abstrahlungsverlust aus der Differenz von 320,90 – 311,55 = 9,35 W/m². Das ist gerade mal ein Drittel des in der DIN 4108 festgesetzten Wärmeübergangswertes (αa) mit 25 W/m², also äußerst geringfügig. Betrachten wir nun im Hinblick auf die ganze Heizperiode unsere Energiebilanz am Fenster und bedenken hierbei, dass eine Einfachverglasung mehr als das
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Doppelte an unmittelbarer solarer Einstrahlung zulässt, kommen wir an besonnten Fensterflächen zu einem klaren Energieüberschuss. Keine Angst also vor Einfachverglasungen, wenn wir zugleich ein Wandheizungssystem gebaut haben. Wer hätte gedacht, dass in einer modernen Betrachtung zwei Baugewerke, die sonst nichts miteinander zu tun haben, im Zusammenspiel Lösungen ermöglichen, die die Denkmalpfleger begeistern und die noch nebenher zu einer Baukosteneinsparung führen, die sich aus dem Preisunterschied von einfach verglasten Fenstern mit Isolierglasfenstern errechnet? Nicht ganz unwichtig ist, dass hierdurch für die Holzfensterbauer ein neuer Markt erschlossen wird, dem keine Konkurrenz durch die Kunststofffensterindustrie droht. 170 Anstriche
Im Rahmen dieser bauphysikalischen Betrachtungen ist von Bedeutung, dass Anstriche fast immer Häute bilden. Befinden sich diese Häute an Stellen, wo Wasser abdampfen soll – an Gebäudeoberflächen ist das immer so – führen sie zum Bauschaden, sichtbar durch Blasenbildung und Abplatzungen. Sind Fassadenanstriche nicht dampfdurchlässig, führen sie sogar zur Zerstörung der Putzschicht. Manche Farbenhersteller geben Werte für die Dampfdiffusionsfähigkeit an. Vorsicht aber! Das sind nämlich Laborwerte, die bei Zimmertemperaturen gewonnen worden sind. Die Diffusionsfähigkeit sinkt jedoch mit fallender Temperatur stark ab, sodass Anstriche an Gebäudeoberflächen trotz guter Laborwerte die Eigenschaften von Dampfbremsen annehmen. Betrachten wir also einmal eine gestrichene Putzfassade auf Mauerwerk: Es ist Winter, die Wohnung wird beheizt und auch nicht sonderlich gut gelüftet. In einem Vierpersonenhaushalt werden da mühelos täglich bis zu 100 l Wasser verdampft. Der größte Teil dieses Wasserdampfes diffundiert in die Umfassungswände ein, wo er im vorderen Teil des Mauerquerschnitts kondensiert, sich also flüssiges Wasser bildet. Nunmehr verlagert sich dieses Wasser nach außen über die unzähligen Kapillaren. Hätten wir es mit Sichtziegelmauerwerk zu tun, würde das Wasser an der Maueroberfläche abtrocknen und nachrückendem Wasser Platz machen. Alles wäre bestens. So aber verbleibt das Wasser in der Wand. Zunächst passiert da nichts Schlimmes, sieht man davon ab, dass in der feuchten Zone die Wärmeleitfähigkeit höher geworden ist. Gegen Ende der Heizperiode wird die Wand wieder kräftiger von der Sonne beschienen und wird warm. Das eingesperrte Wasser wird wieder dampfförmig und drückt mit großer Kraft von innen gegen die Farbschicht. Handelt es sich um elastische Anstriche, bilden sich Blasen. Unelastische Anstriche werden abgedrückt. Wenn die Durchfeuchtung größer war, kam es im Verlaufe des 170
Das alles ist nicht nur eine Hypothese sondern inzwischen von mir auch praktisch erprobt. Ich verweise auf die Sanierung in Leipzig, Lütznerstrasse 77 eines denkmalgeschützten Fabrikgebäudes, wo dies alles – wie beschrieben – funktioniert. Diese Sanierung wurde außerdem 1.Preisträger im Hieronymus – Lotter – Wettbewerb.
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Winters auch zu Frostaufbrüchen im Putz, der das kristalline Gefüge zerstört hat. Der zerstörte Verputz fällt dann auch gleich ab. Die Putzfassade ist also großflächig zerstört. Um das zu vermeiden, dürfen Putzfassaden nur mit solchen Farben gestrichen werden, die auch bei tiefen Temperaturen dampfdurchlässig bleiben. Gute Mineralfarben ohne Zusatz von Dispersionen leisten das. Die Verarbeiter müssen nur darauf achten, dass der Untergrund, der ein reiner Kalkputz sein sollte, ausreichend karbonisiert ist, also durch Aufnahme von CO2 sich in Kalkstein verwandelt hat. Daher ist es ganz wichtig, den Kalkputz mindestens sechs Wochen ungestrichen zu lassen. Je länger der Kalkputz Zeit hat, zu karbonisieren, umso besser ist das. Weiterhin sollte der Verdünnungsgrad der Wandfarbe möglichst hoch sein. Dagegen sind die Empfehlungen der Farbenhersteller bezüglich der Verdünnung immer unter dem Gesichtspunkt zu bewerten, dass diese möglichst viel Material verkaufen wollen. Bei Fensteranstrichen kennen wir den gleichen Bauschaden. Das Beste wäre daher, die Außenflächen von Fenstern ungestrichen zu lassen. Bei guten Holzqualitäten ist das auch möglich. Die Vergrauung des Holzes, die technisch nicht nachteilig ist, ist aber nicht jedermanns Geschmack. Die Alten verwendeten für Aussenanstriche auf Fenstern dampfdurchlässiges Bleiweiß. Das ist aber giftig und daher verboten. Zur optischen Verbesserung bieten sich Lasuren an, die es in allen möglichen Farben gibt. Wer will, kann seine Fenster auch mit gekochtem Leinöl behandeln. Das muss er allerdings wenigstens alle vier Jahre erneuern. Sehr empfehlenswert ist außerdem, die Innenflächen von Fenstern möglichst dampfdicht mit Lacken zu beschichten, weil hierdurch der Wasserdampfeintritt in das Holz behindert wird. Wer das nicht beachtet, verkürzt die Lebenszeit seiner Fenster beträchtlich. Die Blasen, die da im Außenanstrich entstehen, sind nämlich meistens mit Wasser gefüllt. Dort beginnt das Fensterholz dann zu verfaulen. Letztlich ist daran zu denken, dass Anstriche semipermeable (halbdurchlässige) Membranen sind. Wenn auf derartigen Oberflächen Wasser stehen bleibt, das im Freien immer als Lösung irgendwelcher Salze angesehen werden muss, kann es zu osmotischen Vorgängen kommen. Die Folge ist auch hier Blasenbildung unter der Anstrichschicht mit nachfolgender Verrottung des Holzes. Vor allem beim Streichen liegender Oberflächen, die bei sorgfältiger Detaillierung eigentlich gar nicht vorkommen sollten, ist daher dafür zu sorgen, dass die Anstriche so aufgebaut sind, dass sie osmotische Vorgänge nicht begünstigen. Der Vorgang der Osmose ist im Glossar genauer erläutert. Der Energiebilanzwert (Φ b)
Dieser Abschnitt hat einen großen Neuigkeitswert. Er behandelt nämlich ein bauphysikalisches Modell der Vorgänge an der Gebäudeoberfläche, die einerseits zur Gebäudeheizung führen, andererseits Maßnahmen für den sommerlichen Wärmeschutz erforderlich machen. Bisher war die Fachwelt der Meinung, dass diese Vorgänge in der DIN 4108 und in der EnEV ausreichend behandelt seien und man mit den dort vorhandenen Berechnungsverfahren richtige Ergebnisse erzielen könne. Das von mir entwickelte bauphysikalische Modell bricht mit diesem Glauben und ermöglicht zugleich eine genaue und
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zutreffende Bewertung von Baukonstruktionen im Hinblick auf sparsame Energieverwendung. Vieles von dem hier dargestellten ist in früheren Kapiteln schon enthalten. Nun soll das aber im Zusammenhang dargestellt werden. Das neue bauphysikalische Modell geht auf wenige empirische Erfahrungen zurück, deren wichtigste sind:
Die Notwendigkeit zur Gebäudeheizung wird durch den Wetterverlauf verursacht. Im Winter muss man heizen, im Sommer nicht. Die Wetterereignisse wirken – betrachtet man nur die Außenwände und nicht die Fenster – nur auf der Oberfläche des Gebäudes. An der Gebäudeoberfläche gibt es exogenen Energieeintrag. An der Gebäudeoberfläche wird Energie vom Gebäude abgetragen. (Energieabtrag) Überwiegt der Energieabtrag, muss von innen Energie nachgeführt werden. Überwiegt der Energieeintrag, muss keine Energie nachgeführt werden.
Energieeintrag und Energieabtrag finden immer gleichzeitig statt. Beide Vorgänge beruhen nur auf zwei Arten der Energieverlagerung, nämlich Konvektion und Strahlung. Wärmeleitung in den Wänden selbst ist ein Sekundärereignis und hat mit der Energiebilanz nichts zu tun. Das Wetter ein chaotischer Vorgang
Wetterereignisse sind nicht berechenbar, woraus großer Frust bei den Meteorologen entstanden ist. Sie haben nämlich das Pech, dass ihre Vorhersagen ständig überprüft werden können und sich hierbei gezeigt hat, dass zuverlässige Wettervorhersagen nur bei sehr stabilen Wetterlagen möglich sind. Einige Meteorologen entziehen sich diesem Frust damit, dass sie das Wetter der künftigen hundert Jahre vorhersagen – die damit verbundenen Temperaturen sogar auf eine Stelle hinter dem Komma genau. Falls das in hundert Jahren geprüft werden sollte, sind die Urheber der kühnen Prognosen schon längst gestorben und man hat sie vergessen. Wir wollen aber nicht verzagen. Wenigstens kann nämlich das Wetter beobachtet und gemessen werden. Macht man das viele Jahre lang, ist es möglich, ein Durchschnittswetter zu ermitteln. Genau das hat man auch getan, sodass wir heute über ein Durchschnittswetter verfügen. Ich arbeite mit einem Durchschnittswetter, das die Fraunhofergesellschaft im Institut für Bauphysik ermittelt hat und in der Fachwelt als „Holzkirchner Wetter“ bekannt ist. 171 Das Holzkirchner Wetter zeigt langjährig ermittelte Durchschnittsdaten der wichtigsten Wetterereignisse, also Lufttemperatur, Bodentemperatur, Luftdruck, Windgeschwindigkeiten, Globalstrahlung, Diffusstrahlung, Regenspenden – unterschieden nach Schlagregen und leichtem Regen. Weniger wichtiges fehlt, z.B. Nebel, Schneefall, Windrichtung, Föhneinfluss und Bedeckungsgrad des 171
Holzkirchen liegt südlich von München und beherbergt das Institut der Fraunhofergesellschaft für Bauphysik.
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Himmels. Ganz wichtig ist, dass diese Wetterdaten für jede Stunde vorliegen. Wir verfügen somit für jede dieser Wetterkomponenten über etwa 8.760 Messwerte. Das ist eine schöne Menge. Insgesamt stehen uns etwa 70.000 Messwerte zur Verfügung. Diese große Datenmenge kann nur noch am Computer – dort aber recht einfach – verarbeitet werden. Wollte man das „zu Fuß“ machen, würden zehn Jahre Rechenzeit benötigt. Einige fehlende Wetterdaten kann man überschlägig hinzurechnen. So kann der Bedeckungsgrad mit dem Luftdruck in Zusammenhang gebracht werden. Bei Hochdruck haben wir wenige oder gar keine Wolken. Somit ist dann die Solarstrahlung größer. Bei Tiefdrucklagen ist es umgekehrt. In meinen Berechnungen ist das berücksichtigt. Aus der Bodentemperatur kann die dort emittierte Strahlung nach dem Strahlungsgesetz von Stefan-Boltzmann errechnet werden. Bei den Berechnungen kommt zutage, dass die so ermittelte Umgebungsstrahlung stets größer als die Diffusstrahlung ist. Die auf ein Gebäude einwirkende Strahlung besteht somit aus einer sehr gleichmäßigen und ganztägigen Umgebungsstrahlung, die zeitweise von sehr hoher aber nur kurzeitig einwirkender Solarstrahlung überlagert wird. Mengenmäßig überwiegt hierbei die Umgebungsstrahlung ganz eindeutig. Die Bedeutung der Diffusstrahlung besteht darin, dass sie die Bodentemperaturen beeinflusst, in den Berechnungen jedoch vernachlässigt werden kann. Die Windgeschwindigkeit ist von erheblichem Einfluss auf konvektive Ereignisse. Nach recht brauchbaren Faustformeln erhöht sich nämlich die Wärmeübergangszahl (α), die bei Windstille mit 2 W/m²K angenommen werden kann, um den 12-fachen Betrag der Quadratwurzel aus der Windgeschwindigkeit in (m/s) 172. Die auf einer Wand ankommende Solarstrahlung nimmt immer einen bestimmten Einstrahlungswinkel zur Wandebene ein. Auch dies ist zu berücksichtigen. Die in Abhängigkeit vom Luftdruck ohnehin schon reduzierte Solarstrahlung muss außerdem noch mit dem Sinus des Einstrahlungswinkels (γ) multipliziert werden. Dieser Winkel entsteht aus der Multiplikation der Sinusse des Horizontalwinkels (α) und des Vertikalwinkels (β) 173. Die Vertikalwinkel können aus astronomischen Tabellen entnommen werden. Die Horizontalwinkel entstehen daraus, dass die Sonne Punkt 6:00 Uhr im Osten steht und um 18:00 Uhr im Westen. Stündlich rückt die Sonne um 15° von links nach rechts weiter. Südlich des Äquators verläuft die Bahn von rechts nach links. Die Sonne steht dann auch im Norden. Die Berechnungen zeigen auch, dass im Sommer die Einstrahlungsleistung auf Ost- und Westwänden größer ist als auf Südwänden. 174 172
Horst Herr, Wärmelehre, Europa – Lehrmittelverlag, 2.Aufl. 1994
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Die Winkelbezeichnungen sind Festlegungen des Autors.
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Diese Berechnung zur Solarstrahlung erinnert an Berechnungen zur Positionsbestimmung in der
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Durch eine Umformung der Gleichung zur Ermittlung der Strahlungsleistung nach dem Gesetz von Stefan-Boltzmann ist es sodann möglich, die strahlungsabhängige Temperatur einer bestrahlten Fläche zu berechnen. Ungewohnt ist nach diesen Berechnungen die Erkenntnis, dass auch im Winter zeitweise erheblicher konvektiver Energieeintrag auf Außenwänden stattfindet. Entscheidend hierfür ist die Temperaturdifferenz zwischen Aussenluft und Wandoberfläche. Es ist also möglich, die energetischen Ereignisse an Außenwänden recht zuverlässig mit stündlichen Werten zu ermitteln. 175 Trennt man nun die Rechenergebnisse sauber nach Energieeintrag und Energieabtrag, erhält man eine Energiebilanz mit stündlichen Werten in der Größe (W/m²h). Diesen Wert nenne ich (Φ b). Das Zeichen (Φ) 176 ist das allgemein übliche Zeichen für Wärmestrom. Das tiefgestellte (b) zeigt an, dass es sich um einen bilanzierten Wert handelt, der aus der Verrechnung von Energieein- und - abtrag zustandegekommen ist. Festgelegt ist weiterhin, dass der so eingeführte Energiebilanzwert177 dann, wenn das Vorzeichen negativ ist, überwiegenden Energieabtrag zeigt, bei positivem Vorzeichen überwiegt der Energieeintrag. Die Berechnung des Energiebilanzwertes erfolgt in sog. „Simulationen“ zunächst stündlich178. Die gewonnenen Werte können nun vielfältig verwertet werden: Geht es um die Bestimmung der Spitzenleistung einer Heizanlage, sind die negativen Extremwerte über einen längeren Zeitraum im Kernwinter zu ermitteln. Diese zeigen sodann den Energiespitzenbedarf an, soweit er durch Energieabtrag an der Außenwand verursacht ist. Zeigt sich bei der Betrachtung der Energiebilanzwerte, dass der Spitzenbedarf nur selten erreicht wird, hat diese Auswirkung auf die Bauart der Heizanlage. Es kann sich nämlich herausstellen, dass in der Regel eine kleine Heizanlage ausreicht und der Spitzenbedarf durch ein Zusatzgerät gedeckt wird, das nur selten arbeitet. Damit wird der Betrieb der Heizanlage wirtschaftlicher. Die üblichen Wärmebereiter arbeiten nämlich bei Volllast am wirtschaftlichsten. Der Energiebilanzwert kann mühelos auch für einzelne Gebäudewände ermittelt Seefahrt. 175
Im Anhang werden die in der Simulation verwendeten Rechenverfahren im Einzelnen dargestellt.
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Ausgesprochen „fi“.
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Diese vielfältigen und für den Heizenergieverbrauch entscheidenden Ereignisse werden in der DIN 4108 nicht behandelt. Bei der Berechnung des U-Werts ist dem errechnete n Wärmestrom zwar ein (α a) hinzufügen. Hierbei handelt es sich allerdings um einen Pauschalwert, der mit den tatsächlichen Vorgängen des Energieübergangs an Außenwänden nichts zu tun hat.
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Simulationen sind am Computer nachgestellte Experimente, bei denen es darauf ankommt, die natürlichen Randbedingungen so genau wie irgend möglich einzugeben.
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werden. Dies ermöglicht eine Entscheidung darüber, ob einzelne Wände in unterschiedlicher Bauart errichtet werden sollten. Was auf einer Südwand richtig ist, kann nämlich an einer Nordwand falsch sein. Entscheidend ist aber, dass der Energiebilanzwert eine Aussage über die energetische Güte einer Aussenwandkonstruktion zulässt. Damit ist er dem U-Wert überlegen. Der U-Wert stellt schließlich nur eine Materialeigenschaft dar, nämlich die Wärmeleitfähigkeit einer Wand, ohne dass hierbei energetische Vorgänge behandelt werden. Dagegen beschreibt (Φb) die Folgen eines wetterbestimmten dynamischen Prozesses mit seinen Auswirkungen auf den Verbrauch an Heizenergie. Probleme bei der Ermittlung von (Φ b)
Die Simulationen haben gezeigt, dass teilweise Unsicherheiten bei der Bestimmung der Parameter bestehen. Dies gilt vor allem für die Bestimmung des Wärmeübergangswertes (α) bei Konvektion. In der gesamten Fachliteratur findet sich die Aussage, dass dieser Wert nur experimentell bestimmt werden kann. Auf diese Problematik hat bereits Isaak Newton , der die Gesetzmäßigkeit des konvektiven Wärmeübergangs entdeckt hat, hingewiesen. Nun ist es aber hoch an der Zeit, dass die Forschungsinstitute uns Baumenschen endlich Wärmeübergangszahlen in Tabellen vorlegen, mit denen dann ordentliche Berechnungen angestellt werden können. Ebenso wird es Zeit, dass wir zuverlässige Werte für die Emissionskoeffzienten (ε) bekommen, die für die Berechnung von Strahlung und Absorption notwendig sind. Die in einem Anhang zur DIN 4108 angegebenen Werte für (ε) sind nämlich überwiegend falsch. Da der Energiebilanzwert (Φ b) künftig den U-Wert ablösen wird, kann auf derartige Forschungsergebnisse nicht verzichtet werden. Künftige Bedeutung des U-Wertes
Der U-Wert beschreibt nur eine Materialeigenschaft von Wandkonstruktionen, nämlich die Wärmeleitfähigkeit. Dieser Wert wird bei der Bestimmung der Tauzone und bei Berechnungen zur Vermeidung von Tauwasserschäden seine Bedeutung beibehalten. Auch bei der mathematischen Behandlung des zeitlichen Ablaufs von Energieverlagerungen in festen Stoffen ist er weiterhin von Bedeutung. Über die energetische Güte einer Wandkonstruktion im Hinblick auf den Verbrauch an Heizenergie vermag der U-Wert aber nichts auszusagen. Da hat er ausgedient. Technische Folgerungen aus dem Energiebilanzwert (Φ b)
Wir haben gesehen, dass der Heizenergieverbrauch von der Größe des Energiebilanzwertes abhängt. Wollen wir also den Heizenergieverbrauch möglichst klein halten, benötigen wir einen günstigen Energiebilanzwert. Je näher der Energiebilanzwert bei Null liegt, umso besser ist das. Ermitteln wir für den Sommer einen sehr großen positiven Energiebilanzwert, müssen wir etwas für den sommerlichen Wärmeschutz tun. Es sind also solche Fassadenkonstruktionen zu entwickeln, die das gewährleisten. Hierbei sind für
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die Heizperiode zwei Forderungen zu erfüllen: 1. Der exogene Energieeintrag darf nicht behindert werden. 2. Der Energieabtrag muss minimiert werden. Nur wenn beide Forderungen erfüllt werden, haben wir es mit einer energetisch richtigen Fassadenkonstruktion zu tun. Betrachten wir nach diesen Kriterien WDVS, müssen wir feststellen, dass sie das Gebäude vom exogenen Energieeintrag abkoppeln.179 Daher versagen WDVS bei der Reduzierung des Heizenergieverbrauchs fast immer. Einen sehr günstigen Energiebilanzwert haben transluzente Fassaden (TWD). Allerdings ist der sommerliche Wärmeschutz noch ungelöst. Leider sind derartige Fassaden auch sehr teuer. Im Übrigen empfehlen die Erfinder der TWD diese Technik nur für Südseiten, womit sie ihre eigentlich sehr gute Idee ohne Not selbst schlechtreden. Ich empfehle ihnen, sich auch einmal mit den anderen Einstrahlungsquellen zu beschäftigen. Die Termosfassade
Bei meinen Untersuchungen zu den energetischen Vorgängen an Gebäudeoberflächen hatte ich auch eine Idee, wie man den Energiebilanzwert günstig gestalten könnte. Dabei hat mir geholfen, dass ich auch ein recht tüchtiger Verwalter meines Junggesellenhaushalts bin. Manchmal packt mich der Putzteufel. Hierbei kam ich auf den Gedanken, dass man eigentlich auch die Innereien einer Thermoskanne einer gelegentlichen Reinigung unterziehen müsse. Bei deren näherer Betrachtung stellte ich fest, dass die energierückhaltende Wirkung von Thermoskannen auf einer sinnreichen Kombination von luftleeren Hohlräumen und reflektierenden Oberflächen beruht. Die luftleeren Räume verhindern Wärmeleitungsvorgänge, die reflektierenden Flächen behindern die Energieverlagerung von Wärmestrahlung. Ein Anruf bei einem führenden Hersteller von Thermoskannen hatte zum Ergebnis, dass man hierüber keine physikalischen Berechnungen anstellen würde. Man sei damit zufrieden, dass Thermoskannen sehr gut funktionieren. Meine Frage, was geschähe, wenn versehentlich der eingesetzte doppelwandige Glasballon über keine reflektierende Beschichtung verfügen würde, wurde damit beantwortet, dass ich die Kanne einschicken solle, damit ein richtiger Ballon eingesetzt würde – kostenlos natürlich. Würde es sich allerdings um ein Fremdfabrikat handeln, solle ich es wegschmeißen, denn es sei funktions- und wertlos. Die reflektierende Schicht sei nämlich das Wichtigste. „Aha“ dachte ich, „so ist das also“. Sodann begann ich mich, mit dem Prinzip „Thermosgefäss“ zu beschäftigen. Das physikalische Prinzip der Reflexion von Wärmestrahlung war mir bereits geläufig. Hierbei bin ich auch auf die Geschichte des Thermosgefäßes gestoßen. Da gab es also in Schottland einen Chemiker Sir James Dewar , (1842 – 1923) 179
Siehe auch Prof.Karl Gertis, ehem. Leiter des Fraunhoferinstituts für Bauphysik. „WDVS koppeln die Fassade von der exogenen Energiezufuhr ab“.
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der Ende des 19. Jhdts. mit unterkühlten Flüssigkeiten experimentierte. Zur gleichen Zeit wurde die Gesetzmäßigkeit der Strahlungsleistung in Abhängigkeit von absoluter Temperatur und Emissionskoeffizient durch die österreichischen Physiker Stefan und Boltzmann herausgefunden und in dem nach ihnen benannten Gesetz berechenbar gemacht. Die Entdeckung des Strahlungsgesetzes wurde in einer wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht und hierdurch auch Sir James Dewar bekannt. Der hatte das Problem, dass seine unterkühlten Flüssigkeiten ständig wärmer und damit für ihn unbrauchbar wurden. Die Strahlungsgesetze brachten Sir James auf die Idee einer praktischen Nutzanwendung. Von einem Glasbläser ließ er sich daher Gefäße herstellen, die aus zwei ineinander steckenden Flaschen bestanden. Die äußere Flasche ließ er mit Silber beschichten, wie dies damals auch bei normalen Spiegeln üblich war. Den Hohlraum zwischen den beiden Flaschen pumpte er, so gut es ging, luftleer. Er hatte jedoch ein Dichtungsproblem dergestalt, dass sich der Hohlraum immer wieder mit Luft füllte und er daher das Problem der Eisbildung hatte. Um dem vorzubeugen, legte er Tierkohlebrocken in den Hohlraum, die die überschüssige Luftfeuchtigkeit aufnehmen sollten. Am Ende hatte Sir James seinen Zweck erreicht. Seine Experimente waren nun entscheidend erleichtert. Hätte er seine Erfindung zum Patent angemeldet, wäre er wohl ein schwerreicher Mann geworden. Daran dachte er jedoch offensichtlich nicht. Erst erheblich später gründete sich in Deutschland ein Unternehmen, welches Thermoskannen als Gebrauchsgegenstand herstellte. Heutzutage ist die Thermoskanne ein Allttagsgegenstand, der tadellos seinen Zweck erfüllt, also sowohl die Warmhaltung als auch die Kühlhaltung von Speisen und vorzugsweise von Getränken. In Wissenschaftskreisen spricht man Sir James zu Ehren immer noch vom „Dewar-Gefäss“. Unserem Altbundeskanzler Helmut Kohl wird zugeschrieben, dass er die Thermoskanne für die bedeutendste Erfindung des 20.Jhdts. hielte, weil sie wüsste, dass sie im Winter den Tee warm halten müsse und im Sommer kalt. Wie funktioniert aber nun die Thermoskanne? Betrachten wir zunächst die Warmhaltung. Wir füllen also unsere Thermoskanne mit heißem Kaffee auf, 80 °C. Die innere Glasflasche erwärmt sich ruck-zuck auf die gleiche Temperatur. Glas hat einen Emissionskoeffizienten von 0,87. Die reflektierende Beschichtung an der äußeren Glasflasche hat einen Emissionskoefffizienten von 0,02. Nach Stefan-Boltzmann emittiert nun die innere Glasflasche eine Strahlung von Qs = 5,67 x 0,87 [(273 + 80)/100]4 = 765,83 W/m² Davon werden etwa 90% reflektiert. 10% werden von der reflektierenden Schicht absorbiert und führen daher zu einer Temperaturerhöhung in der äußeren Glasflasche. Die reflektierende Schicht ist aber auch nach außen ein schlechter Strahler, sodass auch dort nur ein geringer Teil auf das Gehäuse der Kanne gelangt, dort aber wiederum – da auch diese Seite meistens aus einer polierten Metallschicht besteht, zum überwiegenden Teil reflektiert wird. Unterm Strich gelingt es etwa 2% der abgestrahlten Energie letztlich in die
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Umgebung zu entfleuchen. Von den ursprünglichen 765,83 W/m² sind das runde 15 W/m². Wärmeleitung findet ohnehin wegen des annähernd luftleeren Hohlraums zwischen den Flaschen kaum statt. Es ist also eine gewaltige Verminderung des Energiedurchgangs vom Kaffee ins Freie gelungen – ohne dass auch nur ein Fuzzelchen Dämmstoff benötigt worden ist. Eine wichtige erste Erkenntnis ist also, dass es nicht unbedingt Dämmstoff sein muss, wenn es um die Verkleinerung von Energieverlagerungen geht. Auch die Kühlhaltung funktioniert bei Thermosgefässen. Dabei besteht die Aufgabe in der Fernhaltung von äußerer Energie vom Inhalt des Gefäßes. Verfolgen wir den Energiestrom sehen wir folgendes: Das Thermosgefäss steht – weil wir uns gerade im Freibad befinden – in der prallen Sonne. Ist die Oberfläche der Kanne – wie meistens – hochglänzend, wird da bereits eine Menge Strahlungsenergie reflektiert. Ein Zehntel der Strahlungsenergie wird aber dennoch absorbiert, sodass die Karosserie dennoch deutlich erwärmt wird. Das können Sie leicht selbst überprüfen, wenn Sie einen Badezimmerspiegel auf Ihrem Südbalkon aufstellen. Obwohl ein großer Anteil der Strahlungsenergie reflektiert wird, wird der Spiegel sich in verhältnismäßig kurzer Zeit deutlich erwärmen. Von der Innenseite wird daher eine beträchtliche Strahlungsenergie auf den äußeren Glaskörper gelangen. Der aber ist reflektierend beschichtet, wobei allerdings die glänzende Schicht zum Gefässinhalt hin zeigt. Die von außen kommende Wärmestrahlung wird also dort nicht reflektiert. Und dennoch gelangt diese Wärmestrahlung nicht ins Innere des Gefäßes. Wie das? Nun – Reflexion kennen wir aus dem Alltag, weil wir ja täglich in den Spiegel schauen. Reflektierende Schichten haben aber eine weitere bedeutende Eigenschaft. Im gleichen Masse, wie sie reflektieren sind sie nämlich auch ganz schlechte Strahler. Das ist, wie ich bei Vorträgen immer wieder bemerke, weniger bekannt. Auch das können Sie ganz einfach selbst überprüfen. Selbst durchgeführte Experimente sind deshalb so gut, weil man alles viel leichter begreift. Nehmen Sie also zwei gleichgrosse Platten – z.B. aus Sperrholz. Damit der Effekt besser sichtbar wird, streichen Sie beide Platten auf einer Seite mattschwarz an. Auf eine der beiden Platten kleben Sie nun ganz gewöhnliche Aluminiumhaushaltsfolie auf, auf der anderen Platte machen Sie auf der Rückseite nichts. Nun brauchen Sie noch einen Messpunkt und einen gewöhnlichen Fieberthermometer. Bringen Sie zum Schluss noch einen kleinen Batzen Plastilin auf der Vorderseite an, umhüllen diesen ebenfalls mit einem Stückchen Alufolie und dann stellen Sie beide Platten so in die Sonne, dass die mattschwarzen Seiten beschienen werden. Nach ungefähr 15 Minuten haben sich beide Platten deutlich erwärmt. Wenn Sie den Eindruck haben, dass sich die Platten nicht mehr weiter erwärmen, nehmen Sie den Fieberthermometer, stecken ihn in die Plastilinbätzchen und lesen bei beiden Platten die Temperatur ab. Da sehen Sie dann, dass die Platte mit der reflektierenden Schicht auf der Rückseite deutlich wärmer geworden ist – meisten so um die 8 K. Nun müssen wir dieses Messergebnis nur noch deuten. Jedenfalls erkennen wir,
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dass wir mit der reflektierenden Schicht das Gleiche erreicht haben, was man mit einer hinten aufgeklebten Dämmschicht hätte erreichen können. Dort wäre allerdings der temperaturerhöhende Effekt nach einer gewissen Zeit wieder verschwunden, weil sich der Dämmstoff selbst erwärmt hätte und von da ab die gleiche Strahlungsmenge emittiert hätte wie die nicht reflektierende Seite der anderen Platte. Da sich die reflektierend beschichtete Platte deutlich erwärmt hat, bleibt nur ein Schluss möglich. Reflektierende Schichten können Wärmestrahlung nur sehr schlecht abgeben. Die Wärmeenergie bleibt also in der Platte. Eine nennenswerte Dämmwirkung kann die Alufolie natürlich nicht entfalten. Im Gegenteil, die Alufolie ist bei dem Plattenaufbau die Schicht mit der höchsten Wärmeleitung. Was lernen wir daraus? Bis zu einem gewissen Grad können Dämmstoffe durch reflektierende Schichten ersetzt werden. Nun verstehen Sie auch besser, weshalb ich bei meinen Konstruktionen bei ausgebauten Dächern mit normwidrig dünnen Dämmschichten arbeite, unter denen sich allerdings reflektierende Folien befinden. Nach der gleichen Überlegung ist es auch richtig, unterhalb von Fußbodenheizungen im Bereich der Dämmstoffe an richtiger Stelle reflektierende Folien einzubauen. Nachdem ich eine zeitlang in dieser Art herumexperimentiert hatte, war ich davon überzeugt, dass man mit Hilfe reflektierender Baustoffe auch Konstruktionen entwickeln konnte, die die Energieverlagerung an Außenwänden behindern konnten. Inzwischen waren auch meine Überlegungen zur Energiebilanz soweit gediehen, dass mir bewusst war, dass in einem Punkte meine Konstruktion von der Thermoskanne abweichen musste. Sie musste auch den exogenen Energieeintrag – vorzugsweise im Winter – ermöglichen. Gelänge dies nicht, wäre meine Erfindung eigentlich nur eine Variante der Dämmtechnik gewesen, von der ich schon wusste, dass sie zur Einsparung von Heizenergie nicht viel taugte. Kurzerhand startete ich einen Freilandversuch, der so aussah, dass ich auf einer Fläche von etwa 30 m² Faserzementplatten auf der Rückseite mit hochglänzender Alufolie beklebte und diese auf einer Lattenkonstruktion an einer Hauswand anschrauben ließ. Die Fugen zwischen Latten und Hauswand und auch zwischen den Platten verschloss ich winddicht mit selbstquellenden Dichtungsbändern. Da ich davon überzeugt war, dass sich beim Versuch jede Menge Feuchtigkeit im Hohlraum, den ich später „Spalt“ nannte, ansammeln würde, formte ich die Lattenkonstruktion unten trichterförmig, sodass es möglich gewesen wäre, heraustropfendes Tauwasser aufzufangen und zu messen. Von meiner Idee unterrichtete ich auch das Institut für das Fachgebiet Allgemeiner Ingenieurbau an der Technischen Universität Berlin ( Prof. Dr.-Ing. Cziesielski ), das sodann meine Anregung aufgriff und im Rahmen einer
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Diplomarbeit ein Kandidat der Ingenieurwissenschaften 180 ebenfalls einen Freilandversuch mit anschließenden Berechnungen durchführte. Bei diesem Experiment wollte man aber den Sonneneinfluss eliminieren, sodass die Platten an einer Nordwand montiert wurden. Im Verlaufe des Experiments teilte mir der Kandidat Tilman Berg mit, dass offensichtlich ein erheblicher Energieeinspareffekt vorläge, er aber nun Bedenken hätte, dies so in seiner Diplomarbeit als Ergebnis darzustellen, da er unerfreuliche Auseinandersetzungen mit seinem Professor vermeiden wolle. Ich gab ihm den von ihm dann auch befolgten Rat, dieses Ergebnis möglichst unauffällig irgendwo in der Mitte der Diplomarbeit zu „verstecken“, da ja kaum anzunehmen sei, dass sein Professor jede Zeile seiner Arbeit durchlesen würde. Später hat sich das allerdings als unbegründete Sorge erwiesen, da sich bei einem Gespräch, das ich selbst mit Prof. Cziesielski geführt habe, er sich der neuen Technik gegenüber als sehr aufgeschlossen gezeigt hat und auch seine Unterstützung angeboten hat, zu der es aber dann wegen seiner Emeritierung nicht mehr gekommen ist. Jedenfalls kam Berg zu dem Ergebnis, dass mittels dieser Konstruktion auf Grund der Messergebnisse und von genormten Rechenverfahren eine Energieeinsparung von 56% möglich sei. Da der Freilandversuch der TU-Berlin nur wenige Wochen durchgeführt wurde und außerdem der Sonneneinfluss völlig ausgeklammert war, habe ich dann in der gesamten Heizperiode 2002 bis 2003 an einer Ostwand und später an einer Südwand einen eigenen Freilandversuch durchgeführt, der noch ein besseres Ergebnis hatte. Zugleich meldete ich meine Erfindung zum Patent an – in der sicheren Gewissheit, dass eine derart primitive Konstruktion sicherlich bereits längst erfunden sei. Das Ergebnis meines Experiments lässt sich so zusammenfassen:
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Die Tauwasserproblematik besteht nicht. Bei Außentemperaturen von weniger als – 10 °C kam es auf der reflektierenden Schicht zu einer vorübergehenden Filmkondensation, die bei weiter fallenden Temperaturen in eine hauchdünne Eisschicht überging und sich bei Temperaturanstieg spurlos auflöste. Die relative Luftfeuchtigkeit (r.L.) im Spalt stellte sich auf einen sehr gleichmäßigen Wert von 62% ein, der nur geringfügigen Schwankungen unterworfen war, was auf einen sich selbst regelnden Prozess im Spalt hindeutete. Die Temperatur im Spalt lag immer deutlich über der Aussenlufttemperatur. Bei der Auswertung der Messungen zeigte sich, dass mit fallender Außentemperatur die Differenz zur Spalttemperatur zunahm. Bei Aussenlufttemperaturen ab etwa 28 °C glichen sich Spalttemperatur und Aussenlufttemperatur an.
Dipl.-Ing. Tilman Berg, Bestimmung der Wärmeverluste durch einschichtige Wandkonstruktionen bei nachträglicher Anordnung reflektierender Schichten im Bereich nichthinterlüfteter Bekleidungen, Fachgebiet Allgemeiner Ingenieurbau bei Prof. Dr. E. Cziesielski, 2002.
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Damit war erwiesen, dass das unmittelbar an der Außenwand anliegende Kleinklima deutlich wärmer wurde und sich damit auch das Temperaturgefälle von innen nach außen verkleinert hatte. Das Gebäude befand sich somit „in einer wärmeren Zone“. Nachdem ich die Temperaturen im Spalt in einem kartesischen Diagramm aufgetragen hatte, war erkennbar, dass zwischen der Entwicklung der Außentemperatur (Ta) und der Spalttemperatur (Ts) eine linear – proportionale Beziehung bestand, die sodann zu einer Geradengleichung nach der PunktSteigungsform folgender Form geführt hat: Ts = (Ta x 0,7) + 8 in (°C) Hierbei ist 0,7 der Tangens der Geradensteigung zur x-Achse und die Konstante 8 die Spalttemperatur bei einer Außentemperatur von 0 °C. Dieses Ergebnis führte zu zwei wichtigen Erkenntnissen: Die Konstruktion ist umso wirksamer, je kälter es ist. Der Temperaturanstieg im Spalt ist bei etwa 28 °C begrenzt, sodass auch ein guter sommerlicher Wärmeschutz gegeben ist – ja, man kann diese Konstruktion auch höchst erfolgreich in heißen Ländern zur Entlastung von Klimaanlagen einsetzen. Was sind nun die wesentlichen energetischen Ereignisse bei dieser Konstruktion, die ich später „Termosfassade“ - wegen der Ähnlichkeit der Wirkungen bei einer Thermoskanne - getauft habe? Wer bis dahin das Bisherige einigermaßen verstanden hat, wird auch noch den Rest verstehen:
Die reflektierende Schicht auf der Platte remittiert Wärmestrahlung, die vom Gebäude ausgeht, zu etwa 90%. Der Rest dieser Wärmestrahlung wird von der Platte absorbiert, was zu einer geringfügigen Temperaturerhöhung führt. Bei geringen Temperaturgegensätzen zwischen (T a) und (Ts) ist die Luft im Spalt stehend und damit ein guter Dämmstoffersatz. Die Wandoberfläche wird von bewegter Luft abgekoppelt, sodass ein erhöhter konvektiver Energieabtrag nicht stattfindet. Bei Erwärmung der Platte durch Sonneneinstrahlung kommt es zu einem großen Temperaturunterschied zwischen Platte und Wand, sodass die Spaltluft verwirbelt und hierbei konvektiv Wärmeenergie von der Platte zur Wand verfrachtet wird. Bei gelegentlichen Kondensationsvorgängen auf der reflektierenden Schicht wird – allerdings nur in geringem Masse – Kondensationswärme freigesetzt. Bei der Umwandlung des Kondensats in Eis wird Eiskristallisationswärme frei. Die reflektierende Schicht emittiert nur eine geringe Wärmestrahlung zur Wand hin, sodass der Temperaturanstieg im Spalt nach oben begrenzt ist. (Sommerlicher Wärmeschutz)
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Zu meiner eigenen Überraschung und Freude wurde letztlich meine Erfindung auch noch patentiert, sodass ich nun in der Art eines absolutistischen Herrschers über eine Bauweise verfüge, die zu einer erheblichen Energieeinsparung führt. Die später auf Anregung der Bundesregierung durchgeführten Simulationen verglichen eine unverkleidete Wand mit einer Wand, an der eine Thermosfassade angebracht war. Die hierbei errechneten Energiebilanzwerte als Durchschnittswert über eine gesamte Heizperiode lauten: Unverkleidete Wand Thermosfassade
Φb = Φb =
- 21,8 W/m²h - 1,8 W/m²h
Die Thermosfassade führt also zur Verbesserung des Energiebilanzwertes um den zwölffachen Betrag. Aus Mitleid mit der betroffenen Industrie habe ich bisher auf eine Berechnung des Energiebilanzwertes bei WDVS verzichtet, weil bei dieser Technologie ja leider der exogene Energieeintrag nahezu auf den Wert Null absinkt. Damit ist aber auch das Ergebnis der GEWOS-Studie erklärt, die einen Anstieg des Heizenergieverbrauchs nach Montage von WDVS um 17% gezeigt hat. Vorausgesetzt, dass eine Außenwand wegen ihrer Bauweise einen ausreichend kleinen U-Wert hat, der Tauwasserbildung auf der Wandinnenfläche und in dort benachbarten Zonen verhindert, ist der Energiebilanzwert einer „nackten“ Mauer besser als der einer mit einem Dämmsystem ausgerüsteten Hüllfläche. Weitere Entwicklung energieeinsparender Bauweisen
Das bauphysikalische Modell, das zur Ermittlung des Energiebilanzwertes führt, der ausschlaggebend für die energetische Güte einer Fassadenkonstruktion ist, wird zu neuen Technologien im Fassadenbau führen. Günstig in dieser Hinsicht sind bereits jetzt transluzente Fassadenverkleidungen und die von mir erfundene Termosfassade. Ziel aller diesbezüglichen Neuentwicklungen muss es sein, den exogenen Energieeintrag zu ermöglichen und den Energieabtrag an der Gebäudeoberfläche möglichst klein zu halten. Die bisherige Auffassung, dass es nur darauf ankäme, den Energiedurchgang der von der Heizanlage herstammenden Wärmeenergie auf Ihrem Weg durch die Gebäudehüllflächen zu vermindern, um diesen Preis aber den Energieeintrag zu vernachlässigen, ist nicht haltbar. Will die Dämmstoffindustrie überleben, muss sie eine Technologie entwickeln, die auch den exogenen Energiezufluss ins Gebäude ermöglicht. 181 Wie sie das erreicht, bleibt dem Erfindergeist überlassen. Zugleich muss der sommerliche Wärmeschutz erreicht werden. Die Passivhausleute habe diese Problematik schon vor langem erkannt. Ihre Lösung sieht so aus, dass der von innen nach außen geführte Wärmestrom mit extrem dicken Dämmschichten behindert wird, die exogene Energie über Solarkollektoren mittels einer aufwändigen Technik ins Haus geleitet wird. 181
Einer der führenden Hersteller von WDVS, die Sto AG hat das schon gemerkt, weshalb er bereits an TWD mitwirkt.
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Allerdings setzen sie nur auf unmittelbare Sonneneinstrahlung. Sie haben übersehen, dass die überwiegende Menge an exogener Energie jedoch der Einstrahlung aus der Umgebung entstammt. Diese Bauweise ist außerordentlich teuer, mit verschleißender Technik überfrachtet und daher in aller Regel extrem unwirtschaftlich. Bei transluzenten Fassadenkonstruktionen kommt es darauf an, den sommerlichen Energieüberschuss abzuführen und – wenn es sinnvoll lösbar ist – sogar nutzbar zu machen. Hierbei geht es darum, große Luftmengen mit einer Mindestströmungsgeschwindigkeit von geschätzt wenigstens 2m/s durchzuleiten. Mit entsprechender Maschinentechnik ist das lösbar. Allerdings muss hierbei auch das Problem der Verstaubung im Hohlraum gelöst werden. Ich bin darauf gespannt, was da den Ingenieuren noch alles einfallen wird. Bei der Thermosfassade, deren Spalt von der Aussenluft abgekoppelt ist, besteht dieses Problem nicht. Die Freilandversuche haben auch gezeigt, dass die gelegentliche Kondensatbildung auf der reflektierenden Fläche keine Spuren hinterlässt. Tauwasser ist ja Wasser in seiner reinsten Form, nämlich ein Destillat. Wenn sich nun in Bälde die Erkenntnis durchsetzen wird, dass eine energiesparende Fassadentechnik für exogene Energie aufnahmefähig sein muss, kommt von da ab der Wärmespeicherungsfähigkeit von Außenwänden wieder Bedeutung zu. Der exogene Energieeintrag benötigt nämlich wärmespeichernde Substanz, in der die Energie deponiert werden kann. Andererseits gibt es im Bauwesen die Tendenz zu sehr leichten und massearmen Hüllkonstruktionen. Ich überlege manchmal, ob man nicht den besten Wärmespeicher Wasser als Baustoff entdecken sollte. Eine 10 cm dicke Wasserschicht hat bereits die Wärmekapazität einer 40 cm dicken Ziegelwand. Wer hindert uns eigentlich daran, in der Fassade Wasserleitungen zu verlegen, die exogene Energie aufnehmen. Wie diese Energie sodann verwertet wird, ist dann ein geringeres Problem. Ansätze in dieser Richtung gibt es schon und es ist zu erwarten, dass hier weiterer technischer Fortschritt geschehen wird. Optimal wären Baustoffe mit richtungsabhängiger unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit, die bewirken, dass der von außen kommende Energiestrom nach innen zügig geleitet wird, während Wärmeenergie auf dem Weg von innen nach außen behindert wird. Noch besser wäre ein derartiger Baustoff, wenn diese Eigenschaften geschaltet werden könnten. Es gibt also noch jede Menge Forschungs- und Entwicklungsarbeit zu leisten. Abschließend noch ein paar Worte zur Dämmfähigkeit von Hüllkonstruktionen: Auch weiterhin müssen Hüllkonstruktionen einen ausreichenden Dämmwert haben. Mit Energieeinsparung hat das aber sehr wenig zu tun. Dämmstoffe verzögern den Energiedurchgang, soweit er durch Wärmeleitung in festen Stoffen bewirkt wird. Der zeitliche Ablauf des Energiedurchgangs wird also beeinflusst. Die wichtigste Wirkung der Dämmung besteht aber darin, dass das
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Temperaturniveau des außen gedämmten Bauteils angehoben wird. Eine Wand mit Aussendämmung ist somit wärmer. Betrachtet man die einschlägigen Diagramme, sieht man, dass innerhalb des gedämmten Wandaufbaus die Temperatur weniger steil abfällt als beim ungedämmten Bauteil. Dafür vergrößert sich jedoch das Temperaturgefälle in der Dämmschicht, sodass sich letztlich an der Menge der durchgeleiteten Wärmeenergie nichts ändert. Der eigentliche Nutzen der Aussendämmung besteht darin, dass wegen des höheren Temperaturniveaus der gedämmten Wand zumindest auf der Innenfläche keine Tauwasserbildung stattfindet. 182 Meistens befindet sich der Taupunkt außerhalb der Wand, aber innerhalb des Dämmstoffes. Wir werden also auch künftig ausreichend gedämmte Wandkonstruktionen herstellen müssen. Bei der Termosfassade leistet das die vor der Wand befindliche stehende Luftschicht von ca. 25 – 40 mm Dicke. Diese Luftschicht hat den Vorteil, dass sie nichts kostet. Sie entspricht etwa einer Dämmstoffdicke aus Schaumkunststoffen von 35 – 60 mm. Zur Tauwasserverhütung ist das völlig ausreichend. Für alterprobte Baumenschen ist das alles ungewohnt. Wir müssen uns aber immer klar darüber werden, dass Wärmeleitung in der Wand kein Energieverlust ist sondern nur eine Art der Energieverlagerung immer noch innerhalb der Bausubstanz. Befindet die Energie sich noch in der Bausubstanz, kann daher nicht von Energieverlust gesprochen werden. Heizkosten entstehen erst dann, wenn die Energie das Gebäude an der Oberfläche auf Nimmerwiedersehen verlässt. Dieser Vorgang hat aber mit der Wärmeleitung im Baustoff nichts zu tun solange alle Messungen zeigen, dass die Wandoberflächen bei Gebäuden völlig unabhängig von der Bauart, ob gedämmt oder ungedämmt, mit oder ohne Thermosfassade bei gleichen Wetterzuständen gleich sind. Meine Simulationen zeigen dagegen, dass die Oberflächentemperaturen von Außenwänden nahezu ausschließlich von der exogenen Strahlungsleistung aus der Umgebung und aus gelegentlicher Solarstrahlung entstehen und keineswegs dadurch, dass die Raumerwärmung sich bis zur Oberfläche des Gebäudes durcharbeitet. Der Beheizungszustand ordentlich gebauter Häuser hat also mit der Oberflächentemperatur nichts zu tun. Das ist neu und ungewohnt – ich gebe es zu. Und dennoch müssen wir begreifen, dass der Energieabtrag an Außenwänden nur vom Energiegefälle zwischen Umgebung und Aussenwandoberfläche abhängt – und von sonst nichts. Wenn das aber so ist, muss eine energieeinsparende Fassadentechnik dieses Energiegefälle beeinflussen. Transluzente Fassadenkonstruktionen und auch die Termosfassade leisten das, da beide Konstruktionen zur Verkleinerung des Energiegefälles führen. Vielleicht hat irgendwer eines Tages eine noch bessere Idee. Energieeinsparende Fassadenanstriche
Neuerdings werden Fassadenanstriche angeboten, die der Energieeinsparung dienen. Die Wirkung dieser Anstriche beruht darauf, dass sie einen verhältnismäßig geringen Emissionskoeffizienten haben, was dazu führt, dass 182
Die dabei erzielte Energieeinsparung beruht im Wesentlichen auf dem geringeren Temperaturgefälle zwischen Raumluft und Wandinnenoberfläche und dem damit verminderten konvektiven Energieübergang.
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die Abstrahlungsleistung verkleinert wird. Das Fraunhoferinstitut für Bauphysik hat das untersucht und bestätigt. Ob dennoch damit Heizenergie eingespart werden kann, halte ich für fraglich, zumal die Hersteller dieser Anstriche zu Behauptungen neigen, die bei näherer Überprüfung sich als – milde ausgedrückt - irreführend erweisen. Zwischen dem Bundesverband WDVS und den Farbenherstellern wird daher auch munter prozessiert. Es ist eine Gesetzmäßigkeit im Bereich der Strahlenphysik, dass schlechte Strahler – wie diese Farben – gute Reflektoren sind. Wäre es nicht so, stünden wir vor der wundersamen Energievermehrung und das perpetuum mobile stünde alsbald vor seiner Produktionsreife. Solange da keine genauen Messwerte vorliegen, gehe ich vorsichtshalber davon aus, dass hier ein typisches Nullsummenspiel stattfindet. Sind diese Anstriche – wie zu vermuten ist – auch gute Reflektoren, findet eine entsprechend schlechte Absorption von exogener Einstrahlung statt, was besagt, dass eingestrahlte Energie von derartigen Anstrichen abgewiesen wird. Will daher der Hersteller dieser Anstriche aus dem Verdacht der unlauteren Werbung herauskommen, muss er die Karten auf den Tisch legen. Das ist nach meiner Überzeugung nur dadurch möglich, dass physikalische Daten bekannt gemacht werden, insbesondere durch wellenlängenabhängige Emissionskoeffizienten. Dabei könnte sich durchaus zeigen, dass die verhältnismäßig kurzwellige exogene Einstrahlung, zu der ja auch die UV-Strahlung gehört, sehr gut absorbiert wird, während die langwellige Abstrahlung vom Gebäude nur gering emittiert wird. Würde das funktionieren, wäre das in der Tat eine sehr gute Sache. Es verbleibt aber dann immer noch die Frage, wie sich die Oberflächen bei zunehmender Verschmutzung verhalten, mit der ja zu rechnen ist. Ich bin also neugierig. Die Idee, die hinter dieser Technologie steht, ist jedenfalls beachtenswert. Schall
Welche Energien Schall freisetzen kann, ist schon in der Bibel nachlesbar. Die Israeliten brachten mit dem Lärm von Posaunen die Stadtmauern von Jericho zum Einsturz. Vermutet wird, dass das die Wirkung niederfrequenter Schallwellen war. Demzufolge müssen die damaligen Posaunen größer als Alphörner gewesen sein, denn nur solche instrumentalen Ungetüme können niederfrequente Schallwellen auslösen. 183 Wie hat das aber funktioniert? Da spielt das Phänomen der Resonanz eine Hauptrolle. Aus der Schulzeit ist uns noch der Versuch unseres Physiklehrers in Erinnerung, der zwei Stimmgabeln mit dem Kammerton a` in etwa 3 m Entfernung aufgebaut hat, meistens auf einem Resonanzkasten aus Holz. Dann hat er eine der Stimmgabeln angeschlagen und fast ohne Verzögerung hat sodann die zweite Stimmgabel ebenfalls und in gleicher Lautstärke zu tönen begonnen. Hat er den Versuch 183
Es kann aber auch daran gedacht werden, dass niederfrequente Schallwellen aus Schwebungen gewonnen werden können, die dann entstehen, wenn zwei Schallerzeuger Töne mit geringen Frequenzunterschieden produzieren. Das kann man auch mit höher tönenden Instrumenten bewerkstelligen.
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abgeändert und eine anders klingende Stimmgabel verwendet, geschah nichts. Resonanz fand aber auch statt, wenn eine der Stimmgabeln eine Oktav höher oder niedriger gestimmt war. Ebenso auch, wenn der Tonhöhenunterschied eine reine Quinte war, dann allerdings schwächer. Schon die alten Griechen wussten über Schall eine ganze Menge. Ihre riesigen Freilufttheater sind für ihre hervorragende Akustik berühmt. Das Problem bestand darin, dass auch auf den weit von der Bühne entfernten Plätzen die Rede und der Gesang der Schauspieler gut hörbar sein mussten. Mikrofone und Lautsprecher gab es noch nicht. Stattdessen trugen die Schauspieler Masken, die als Hohlkörper den Schall enorm verstärkt haben. Die Wirkung können Sie selbst ausprobieren. Nehmen Sie einen gewöhnlichen Blecheimer uns sprechen da hinein. Ihre Kinder werden diese Technik begeistert aufgreifen und fortan aus purer Gaudi einen Heidenlärm veranstalten. Eine weitere Technik zur Verbesserung der Akustik bestand darin, dass zwischen den Sitzreihen Tongefässe unterschiedlicher Größe und nach einem von uns nicht mehr beherrschten System mit der Öffnung nach vorne aufgestellt worden sind, die als Resonanzkörper den Schall verbreitet haben. Derartige Ereignisse zeigen uns, dass Schallenergie durch Luft übertragen wird. Was geschieht da also genau? Wenn wir uns das klar machen, verstehen wir alles, was mit Luftschall zu tun hat, besser. Betrachten wir also die Luft. Luft ist ein Gemisch aus Stickstoff, Sauerstoff, etwas CO 2, einigen Edelgasen, leider auch von Beimengungen zivilisatorischer und natürlicher Herkunft, die meistens unserer Gesundheit schaden, und außerdem von erheblichen Mengen an Wasserdampf. All das schwingt, allerdings in so hohen Frequenzbereichen, dass sie für uns unhörbar sind. Außerdem steht die Luft unter Druck, der seine Ursache in der Erdanziehungskraft hat, und der umso höher ist, je mehr Luft aufeinander liegt. Daher ist der Luftdruck in großen Höhen geringer als auf Meereshöhe. Der Luftdruck presst die Luftteilchen zusammen, die ihrerseits in heftigen Schwingungszuständen sind und daher auch sehr häufig miteinander zusammenstoßen. Betrachten wir uns das aus größerer Entfernung, sehen wir – wir sehen natürlich nichts – dass das Luftgemisch unter Spannung steht. Wie eine Saite. In großen Höhen mit geringerer Luftdichte ist die Schallübertragung übrigens erheblich schlechter. Auf dem Mond können Sie schreien so laut wie sie wollen. Niemand hört Sie dort. Befindet sich nun in diesem Spannungsfeld z.B. eine Stimmgabel, schwingt diese hin und her, beim Kammerton a mit etwa 405 Schwingungen in der Sekunde. Die Physiker sagen hierzu, dass die Frequenz des Kammertons a 405 Hertz (Hz) beträgt. Da knallt also jetzt die Flanke der Stimmgabel in das unter Druckspannung stehende Luftgemisch und gegen die Luftteilchen. Die Luftteilchen haben das Bedürfnis, untereinander immer möglichst gleichmäßige Abstände zu haben, die sie auch brauchen, weil sie sonst nicht ungehindert schwingen können. Schiebt nun eine Stimmgabel ein Luftteilchen nach vorne oder zu Seite, wird dieses das benachbarte Teilchen ebenso weiterschieben. Durch die Weitergabe dieses Energieimpulses von Teilchen zu Teilchen kommt
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es letztlich dazu, dass die Störungen irgendwo auftreffen, z.B. auf dem Trommelfell des Ohres oder auf einem anderen schwingfähigen Material, das nun im gleichen Masse zu schwingen beginnt, wie die Stimmgabel. Damit wird das angeregte Material nun selbst schwingen – genau in der Frequenz der Stimmgabel – und wird nun selbst die angrenzenden Luftteilchen anregen. Das Ganze geschieht mit hoher Präzision, sodass Musikliebhaber mit geschulter Hörerfahrung feinste Klangunterschiede bemerken und sagen können, ob ein Geigenkonzert auf einer Stradivari oder auf der meines Geigenbauers Sebastian Muthesius – den ich hiermit empfehlen möchte – gespielt wird. Der ungeschulte Hörer wird keine Unterschiede feststellen. Diese Präzision der Schallübertragung ist der Feinheit der Luft zu verdanken, die man so interpretieren kann wie das extrem hohe Auflösungsvermögen einer Digitalkamera. Zu vermerken ist noch, dass die Energiebeträge, um die es hier geht, beachtlich hoch sind, wie man am Fall der Mauern von Jericho sehen kann. Dort ist den Israeliten nämlich das Kunststück gelungen, die Eigenfrequenz der Stadtmauern herauszufinden und sodann Töne mit dieser Frequenz zu erzeugen. Hierdurch begannen die Mauern zu schwingen. Der innere Zusammenhalt der Mauern ging dadurch verloren und wahrscheinlich sind sie regelrecht zerbröselt. Wir können vermuten, dass Jerichos Mauern auch ein ziemliches Pfuschwerk waren. Da kam also eines zum anderen. Versuchen Sie einmal, Wasser mit Öl zu vermischen. Da können Sie den Schneebesen noch so heftig traktieren. Letztlich wird das Öl wieder oben schwimmen und das Wasser bleibt unten. Mit Schallenergie schaffen Sie das aber ganz leicht, vor allem wenn sie mit Ultraschall arbeiten, also mit Tönen sehr hoher Frequenz. Was mit sonstigen mechanischen Verfahren völlig aussichtslos war, ist nun gelungen. Das Ergebnis nennt sich übrigens Emulsion . Der sehr energiereiche Ultraschall war in der Lage, das Öl in einzelne Teilchen zu zerlegen, also die Bindungskräfte aufzubrechen, die so hoch sind, dass trotz der enormen Beanspruchung Öl in einem Motor einen geschlossenen Schmierfilm bildet. Dass die Druckwellen in der Luft ungeheuere Energien verkörpern können, kennen wir auch aus anderen Vorgängen. Durchbricht ein Flugzeug die Schallgeschwindigkeit, entsteht eine Druckwelle, die Fenster zerbricht. Durch Verkehrslärm werden Gebäude zum Schwingen angeregt. Letztlich kann mit Schall sogar Leben vernichtet werden. Das Phänomen Schall ist also – obwohl wir nichts davon sehen können – energetisch beachtlich groß und somit auch bedeutend im Bauwesen. Nicht nur Luft dient als Schallträger sondern jeder Stoff der wegen seiner Struktur schwingungsfähig ist, also auch Festkörper und Flüssigkeiten. Nicht schwingungsfähige Stoffe sind zur Schallübertragung nicht fähig, also alles, was einen schlappen Eindruck macht, Bettfedern zum Beispiel. Dort dringt zwar die Schallenergie auch ein, wird aber nicht weitergeleitet. Trotzdem geschieht mit der eingedrungenen Schallenergie etwas – wir haben ja schließlich den Energieerhaltungssatz. In den Nichtschallleitern wird die Schallenergie absorbiert und führt – wie bei der Absorption von Lichtwellen – zur Erwärmung
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des Stoffes. Glauben Sie aber nicht, dass man auf dieser Grundlage ein Heizsystem entwickeln könnte. Dazu reicht die Energie nun doch nicht aus. Oder doch ? Soweit wir den baulichen Schallschutz im Auge haben, kennen wir nun die wesentlichen physikalischen Hintergründe. Da gibt es aber auch noch das Problem der Akustik. Wenn wir dieses behandeln, stoßen wir noch zusätzlich auf die Reflexion von Schall. Den Leser bitte ich noch um etwas Geduld. Vorerst beschäftigen wir aber uns mit der technischen Lösung des baulichen Schallschutzes in Gebäuden, wo es darum geht, dass Lärm sich nicht ungehindert ausbreitet und Ärger und Unfrieden auslöst. Hierbei trennen wir das Problemfeld in zwei Teile auf und zwar in:
Luftschallschutz, der für sich noch einmal in Schallschutz gegen Aussenlärm und Lärm innerhalb des Bauwerks aufgeteilt wird, und Körperschallschutz – auch Trittschallschutz genannt.
Was verstehen wir darunter? Zunächst aber einmal keine Bange. Ich werde Sie nicht mit schalltechnischen Berechnungen plagen. Die überlassen wir besser dem Profi. Hier genügt es, dass wir uns das Grundwissen aneignen, das für richtige Konstruktionen normalerweise ausreicht. Außerdem: Alle schalltechnischen Berechnungen sind Vereinfachungen von sehr komplizierten Sachverhalten und daher nur sehr eingeschränkt zuverlässig. Luft- und Trittschallschutz im Gebäude
Dabei geht es darum, den Lärm daran zu hindern, von einem Raum in den anderen zu gelangen. Lärm kann durch Wände dringen, aber auch durch die Decken nach unten und oben. Grundsätzlich gibt es da zwei Methoden. Wir können schwere Massen verwenden. Stahlbetondecken sind ausreichend schwer. Mauerwerk von wenigstens 24 cm Stärke, beidseitig verputzt reicht im Normalfall ebenfalls aus. Die Wand sollte ein Flächengewicht von wenigstens 400 kg/m² haben. Bei den Decken haben wir üblicherweise einen Aufbau mit schwimmenden Estrichen, einen mehrschaligen Aufbau also mit Wirkungen ähnlich einer schalldämmenden Vorsatzschale, zu der wir gleich kommen, sodass wir hierdurch fast immer einen ausreichenden Luftschallschutz bekommen. Die Wirkung dieser schweren Konstruktionen besteht darin, dass die Schallenergie nicht ausreicht, die Massen in Schwingung zu versetzen. Die Energie müsste nämlich die Massenträgheit der Bauteile überwinden. Allerdings haben Decken und Wände sehr oft Schwachstellen. Das sind Leitungsschlitze, Durchbrüche und Aussparungen für Nischen und so fort. Diese sind im Entwurf zu vermeiden. Denn die verminderte Schalldämmung bei derartigen Schwachstellen reicht aus, um Ärger mit dem Nachbarn auszulösen. Ganz schlimm sind vor der Wand geführte Heizungssteigleitungen. Sie sind perfekte Schallüberträger, wobei die angeschlossenen Heizkörper sich wie Schallempfänger und Lautsprecher verhalten. Derart gebaute Heizanlagen sind kompletter Murks, hier in Berlin aber der Normalfall bei modernisierten
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Altbauwohnungen. Als hervorragende Schallüberträger dienen auch Schornsteine, vor der Wand verlaufende Wasser – und Abwasserleitungen. Es gibt also genügend Möglichkeiten zum Sündigen. Nun gibt es aber nicht nur die masserreiche Massivbauweise. Die Leichtbauweisen haben keine Stahlbetondecken oder dicke Ziegelmauern. Da müssen wir also tricksen und unsere physikalischen Grundkenntnisse über Resonanz praktisch anwenden. Zuvor zum besseren Begreifen noch ein kleines Experiment, das Sie durchführen sollten: Gehen Sie in Ihr Badezimmer und klopfen Sie gegen den Badezimmerspiegel, der an vier Stellen mit Spiegelklammern befestigt ist. Sie werden ein Mischgeräusch hören, das aus allen möglichen Frequenzen zusammengesetzt ist. Nun hängen Sie den Spiegel aus und halten ihn nur noch mit zwei Fingern fest und lassen Sie ihn so herunterhängen. Lassen Sie ihn aber nicht fallen, weil es sonst Ärger mit der Hausfrau gibt. Klopfen Sie wieder gegen den Spiegel, Sie werden nun einen schönen, glockenartigen Ton hören, der nur noch aus einer Frequenz besteht. Nun hängen Sie den Spiegel wieder ein. Wir hören also, dass eine eingespannte Platte in vielen Frequenzen schwingt, eine freischwingende Platte nur in ihrer Eigenfrequenz. Nun müssen wir uns nur noch vorstellen, dass eine fest eingespannte Platte gegenüber der Querwand wie ein Hebel wirkt, über den die Schwingungsenergie in die Querwand eingeleitet wird. Mit diesen Grundkenntnissen ausgerüstet, können wir bereits eine gut funktionierende schalldämmende Vorsatzschale bauen. Wir kleben als erstes eine verhältnismäßig stabile Mineralwolleplatte an die Wand. Darauf wird nun beispielsweise eine Gipskartonplatte geklebt. Hierbei müssen wir darauf achten, dass die Gipskartonplatte an allen vier Seiten mindestens einen Abstand von 5 mm einhält. Die Fuge können wir mit einem weichen Material ausfüllen. Zum Schluss streichen oder tapezieren Sie Ihr Kunstwerk. Aber auch Tapeten dürfen den 5 mm – Spalt nicht überbrücken. Sollen in die Vorsatzschalen Schalterdosen eingesetzt werden, dürfen diese unter gar keinen Umständen die dahinter liegende Wand berühren. Sie wären dann nämlich üble Schallbrücken, die wie ein Stimmstock in einer Geige wirken würden. Außerdem müssen Sie die Information verbreiten, dass in die Vorsatzschale keinerlei Nägel oder Schrauben eingesetzt werden dürfen, die die verkleidete Wand berühren. Wen Sie das alles beachtet haben, werden Sie bei einem Test feststellen, dass der Schalldurchgang durch die Wand sich so stark verringert hat, dass man von Schalldichtigkeit sprechen kann. Wie funktioniert das Ganze? Die frei schwingende Platte kann nur noch in Ihrer Eigenfrequenz schwingen. Fast immer sind das Niederfrequenzen im nicht mehr hörbaren Bereich. Dass die alte Wand ausgerechnet die gleiche Eigenfrequenz hat, ist so unwahrscheinlich wie ein Sechser im Lotto. Eine Resonanz zwischen
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Vorsatzschale und Wand ist also unmöglich. Die Mineralwolle im Hohlraum ist ein ausgezeichneter Schallschlucker. Der Hohlraum ist somit schalltot. Da die Vorsatzschale zu den angrenzenden Konstruktionen keine Verbindung hat, kann auch dort kein Schall übertragen werden. Die sog. „Flankenleitung“ ist also unterbunden. Müssen wir Decken schalldämmend herstellen, wird prinzipiell das Gleiche gemacht. Dort werden die Gipskartonplatten jedoch an Drähten befestigt, die unterbrochen sind und dort eine Gummiverbindung haben. Der Hohlraum zwischen neuer Unterdecke und alter Decke wird ebenfalls mit Mineralwolle ausgefüllt, sodass auch dort ein schalltoter Raum entsteht. Wichtig bei diesen Konstruktionen ist eine große handwerkliche Sorgfalt und es schadet bestimmt nicht, dass man den Handwerkern die Funktionsweise schalldämmender Vorsatzschalen erklärt und sie nicht blind vor sich hinwursteln lässt. Zur Vermeidung von Luftschall durch Decken dienen die schwimmenden Estriche , die prinzipiell genau so aufgebaut sind wie schalldämmende Vorsatzschalen. Auch hier gilt die Regel, dass Schallbrücken unbedingt vermieden werden müssen. Die Estriche müssen daher strikt von allen angrenzenden Konstruktionen getrennt werden. Auch beim späteren Anbringen von Fußleisten ist darauf zu achten. Am Besten montiert man die Fußleisten nur an der Wand mit einem Abstand von 5 bis 10 mm vom Bodenbelag. Auch hier ist die Fuge mit einem plastischen Material auszufüllen. Eine einzige Schallbrücke – und wenn es nur ein einsamer Nagel ist – kann den Erfolg zunichte machen. Als Architekt muss man da ständig kontrollieren. Der schwimmende Estrich sorgt auch für einen ausreichenden Trittschallschutz. Das weiche Dämmmaterial verhindert die Leitung von Körperschall in die unter dem Estrich befindlichen Konstruktionen. Die diesbezüglichen Normen sind gut und Sie können sie anwenden. Achten Sie vor allem auf das richtige Verhältnis von Dämm- und Estrichstärke, das auch in den Normen drinsteht. Bei Holzbalkendecken gibt es einige gute Konstruktionen, die zum Erfolg führen. Dort haben wir ein Sonderproblem vor allem dann, wenn wir die Balkendecke architektonisch als fertige Untersicht hernehmen wollen und hierbei auf der Oberseite der Balken eine Sichtschalung aufgebracht wird. Zunächst ist diese Konstruktion nämlich zu leicht. Die Balken würden in Schwingung geraten. Bei meinen Fachwerkhäusern habe ich folgende Konstruktion 184 entwickelt, die sehr gut funktioniert: Auf die Schalung über den Holzbalken, die mindestens 28 mm stark sein sollte und in jedem Fall statisch nachgewiesen werden muss, wird ein weiches Material mit ca. 5 mm Stärke verlegt. Gut geeignet sind textile Abdeckmatten, 184
Angeregt wurde ich hierzu durch eine Veröffentlichung der Holzindustrie in den späten 70er Jahren des vorigen Jahrhunderts.
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wie sie zum Schutz von Böden bei Malerarbeiten verwendet werden. Das Zeug ist dermaßen billig, dass es zweilagig verlegt werden sollte. Darauf werden nun mit knirschen Stößen hundsordinäre Gehwegplatten II.Wahl verlegt, die eine Stärke von 50 mm haben sollen. Dieser Aufbau bringt eine Flächenlast von 1,0 KN/m² und führt dazu, dass nun die Deckenbalken ständig unter Last stehen – in gewisser Weise also vorgespannt sind. Auf dieser Konstruktion können Sie nun den weiteren Bodenaufbau herstellen. Das sind entweder die üblichen schwimmenden Estriche oder auch Dielenböden über Lagerhölzern. Den Trittschalldurchgang behindern Sie dadurch, dass die Lagerhölzer auf einem elastischen Material verlegt werden. Neben den üblichen Mineralwollestreifen sind auch Materialien gut geeignet, die aus zerschredderten Altautoreifen hergestellt sind. Damit der Dielenboden nicht dröhnt, muss der Hohlraum zwischen den Lagerhölzern mit loser Mineralwolle oder einem anderen schallschluckenden Material ausgefüllt werden. Bei meinen Fachwerkhäusern funktioniert dieser Aufbau hervorragend. Abraten würde ich davon, die Gehwegplatten durch einen Estrich ersetzen zu wollen. Der würde mit großer Wahrscheinlichkeit reißen. In den Rissen würden dann unangenehme Knirschgeräusche entstehen. Die weiche Unterlage polstert die Gehwegplatten gegen die Holzschalung ab, sodass auch da keine Knirschgeräusche entstehen. Wichtig ist, dass Sie dem Statiker diesen Aufbau bekannt geben, da er die Lasten berücksichtigen muss. Schallschutz bei Fenstern
Sogar eine gewöhnliche Einscheibenverglasung hat dann eine gute schalldämmende Wirkung, wenn sie frei schwingen kann. Ich hatte einmal ein Büro in Berlin – Kreuzberg an der Urbanstrasse, die eine Hauptverkehrsstrasse ist. Dieses Büro war früher ein Laden mit großem Schaufenster, das aus einer Scheibe bestand die mit gewöhnlichem Glaserkitt in einem Blendrahmen eingesetzt war. Der Verkehrslärm drang durch dieses Schaufenster kaum durch. Nur dann, wenn ein Fahrzeug vorbei fuhr, das Schallenergie in der Eigenfrequenz der Schaufensterscheibe absonderte, wurde es in meinem Büro laut. Aufgrund dieser Erfahrung meine ich, dass die Schalldichtigkeit eines Fensters vor allem davon abhängt, dass die Scheiben frei schwingen können. Bei Isolierverglasungen kann man außerdem den Schallschutz dadurch verbessern, dass die Scheiben unterschiedliche Glasdicken haben, also unterschiedliche Eigenfrequenzen. Erfahrungsgemäß haben Kastenfenster gute schalldämmende Wirkung. Die Bauart von Kastenfenster wurde daher auch bei hochschalldämmenden Fenstern übernommen. Die Kastenfutter werden in diesem Falle schallschluckend ausgebildet. Raumakustik
Räume sollen eine angenehme Akustik habe. Eigentlich könnte man sagen, dass die Akustik eines Raumes Teil des Raumklimas ist. Die Anforderungen an die Raumakustik hängen von der Raumnutzung ab. Ein Aufnahmestudio ist immer ein schalltoter Raum ohne Resonanz. Dort machen sich später die Tonmeister ans Werk, die eine Tonaufnahme akustisch aufarbeiten. In Konzertsälen kommt
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es darauf an, dass in allen Raumzonen die Darbietung mit allen Feinheiten gehört werden kann. Die berühmtesten Konzertsäle haben fast immer eine lang gestreckte Form. Runde und sehr hohe Räume haben dagegen fast immer eine so schlechte Akustik, dass Musikdarbietungen kaum möglich sind. Problematisch scheint in Berlin der große Saal der Philharmonie von Scharoun zu sein. Anders kann ich mir die Unzahl von Mikrofonen, die über den Musikern hängen, nicht erklären. Möglicherweise sitzen da in Technikräumen Tontechniker, die die Darbietung aufbereiten müssen, damit es zu einem Hörgenuss kommen kann. In Wohnräumen hat man dann eine gute Akustik, wenn man den Gesprächspartner auch auf größere Distanz gut verstehen kann und dass man selbst beim Sprechen das Gefühl hat, dass man sich nicht anstrengen muss. Dies erreicht man dann, wenn man bei der Konstruktion des Hauses, bei der Auswahl der Baustoffe und bei der Innendekoration darauf achtet, dass möglichst viele schwingungsfähige Materialien verbaut werden. Schallschluckende Materialien z. B. Teppichböden oder dicke Vorhänge verschlechtern fast immer die Akustik. Muss die Akustik eines Raumes möglichst gut vorherbestimmt werden, müssen Spezialisten eingeschaltet werden. Die arbeiten nach Erfahrungswissen. Häufig werden Raummodelle im Maßstab 1:20 gebaut und damit experimentiert. Hierbei werden Messungen mit hohen, dem Modell angepassten Schallfrequenzen durchgeführt. Elektrosmog
Als sich der Mensch vor über einer Million Jahre entwickelt hat, war auch er der elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt. Bei Sonneneruptionen kam es kurzfristig zu kräftigen Erhöhungen der elektromagnetischen Strahlung. Normalerweise war die kosmische Strahlung aber so gering, dass sie keine biologischen Wirkungen hatte. In kalten Regionen, wo die Menschen sich in Höhlen aufhielten, waren sie gelegentlich dem Radon ausgesetzt, was wegen der damit bewirkten genetischen Veränderungen zum Tempo der Evolution beigetragen hat. Seit Anfang des vorigen Jahrhunderts hat die Entwicklung der Elektrotechnik dazu geführt, dass wir uns permanent in künstlich erzeugten elektromagnetischen Feldern aufhalten, die ein Vielfaches der natürlichen Strahlungsbelastung bewirken. Niemand wird behaupten, dass die hier in jüngerer Zeit entstandenen Sorgen um die Gesundheit grundlos seien. Genaueres wissen wir aber nicht. Da wird noch geforscht. Je nach Interessenlage wird abgewiegelt oder Panik erzeugt. Aus reiner Vorsicht sollte man das aber bedenken und sich ernsthaft damit beschäftigen. Solange wir nichts Genaues wissen, meine ich, dass man rein vorsichtshalber sich nicht bedenkenlos dem sog. „Elektrosmog“ aussetzen sollte. An anderer Stelle habe ich bereits mehrfach den Einsatz reflektierender Materialien zur energetischen Verbesserung der Hüllkonstruktionen angeraten. Dabei handelt es sich in aller Regel um Aluminiumfolien oder Folien, die mit Aluminium bedampft werden. Diese Materialien haben den Nebeneffekt, dass
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sie auch elektromagnetische Wellen abschirmen. Damit ist es also möglich, den Elektrosmog drastisch in Gebäuden zu verkleinern. Sichtmauerwerk aus Backsteinen
Diese Schrift ist unter anderem auch die Frucht einer seit 1963 andauernden Beschäftigung mit Architektur, Baukonstruktion und Bauphysik. Ich war Werkstudent, der seinen Lebensunterhalt und sein Studium weitgehend selbst verdienen musste. Das war zwar mühsam aber lehrreich. Mein Arbeitgeber war der Münchener Architekt Herbert Korn , der in gewisser Weise mein Lehrmeister war und an den ich auch heute noch dankbar zurückdenke. Herbert Korn war kein Freund von „großen und glatten“ Entwürfen. Er liebte Kleinteiligkeit und menschliche Proportionen. Für Materialien hatte er ein untrügliches Gespür. Wenn er Entwürfe bearbeitete, zog er sich in sein Zimmer zurück und ward nicht mehr gesehen. Stundenlang kämpfte er mit der Entwurfsaufgabe, verbrauchte Unmengen von Skizzierpapier, das er mit einem 6B- Bleistift bedeckte, sodass außer ihm niemand mehr wusste, was da eigentlich geplant war. Am Ende des mit vielen Flüchen angereicherten Entwurfsprozesses war sein Zimmer mit zusammengeknülltem Skizzenpapier aufgefüllt. Wir – seine Mitarbeiter – machten das Beste daraus und am Ende war dann doch ein Haus mit guter architektonischer Qualität entstanden. Mit den Ideen des Bauhauses hatte Herbert Korn nichts am Hut – das war ihm zu gestaltlos und zu langweilig. Eines seiner bewunderten Vorbilder war stattdessen Heinrich Tessenow und die damals sehr schöne Architektur der Schweden. Andererseits riss er gerne Witze über den damals in Bayern aufkommenden „Jodlerbarock“, der dazu geführt hat, dass schlichte Wohnhäuser in den Bauformen von Bauernhäusern und mit völlig verunglückten Proportionen errichtet wurden und bis heute immer noch errichtet werden. In dieser Zeit soll ein Kreisbaumeister in Miesbach sogar verlangt haben, dass unter allen Umständen Brettfensterläden mit eingeschnittenem Herzen an die Hauswände gehängt werden mussten, auch wen diese völlig funktionslos waren, weil damals bereits der Kunststoffrolladen allgemein Standard war. Jedenfalls habe ich in dieser Zeit viel gelernt. Zusammen mit Gabor Benedek , der in München als Architekt Karriere gemacht hat und auch als Karikaturist bei der Süddeutschen Zeitung agierte, habe ich teilweise völlig selbständig Bauwerke geplant und geleitet. In der Ausarbeitung von Details wurde wüst gewühlt. Die Planungstechnik bei Herbert Korn war so, dass in bereits fertige „Fuffzigstel“ – so nannte man damals die Werkpläne im Maßstab 1: 50 – nachträglich Detaillösungen gequält wurden. Das hat mir nie gut gefallen, weil da fast immer nur Kompromisslösungen entstanden sind. Als ich mich dann am Ende meines Studiums als selbständiger Architekt betätigt habe, habe ich diese Planungsweise radikal geändert. Ich führte ein, dass zunächst alle wichtigen Details im Maßstab 1: 5 gezeichnet worden sind und der Rohbau hieran angepasst worden ist. Meinen Bauzeichnerlehrlingen habe ich immer den Wahlspruch „Vom Fertigen ins Rohe“ eingebläut. Das hat sich bis heute gut bewährt. So hat sich dann im Laufe der Zeit meine Begeisterung für saubere
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Detaillösungen entwickelt, vor allem als ich sah, dass diese ganz wichtig für die architektonische Haltung eines Bauwerks sind. In dieser Zeit ist bei mir auch die Gewohnheit entstanden, dass ich scheinbar fertige und abgeschlossene Bauregeln mit zunehmenden Misstrauen betrachtet habe. Damals begann auch mein Interesse an Bauphysik, die im damaligen Planungsalltag überhaupt keine Rolle gespielt hat. Im Studium hat man da überhaupt nichts Sinnvolles gelernt. Der Umgang mit bauphysikalischen Problemen – damals hauptsächlich bei Flachdächern – hatte etwas Schamanenhaftes an sich. In dieser Zeit entdeckte man auch das Ziegelsichtmauerwerk wieder einmal neu und begeisterte auch mich. Inspiriert hat mich da hauptsächlich mein damaliger Professor für Baukonstruktion Eichberg , der im Umfeld der alten Technischen Hochschule einige Ziegelbauten errichtet hat. Mein erster größerer Planungsauftrag war ein 16- Familienhaus in Regensburg in der Nähe des Dörnbergparks. Das wollte ich natürlich als Sichtmauerwerksbau errichten, eine Bauweise, die in Regensburg ziemlich fremd war und bei einigen Schulhäusern auch schief gegangen war, da dort schwere Schlagregenschäden und Ausblühungen zu verzeichnen waren. Hinzu kam noch ein Genehmigungsproblem, da ich mir sicher war, dass der für mein Vorhaben zuständige Baubeamte, ein Herr Wiesinger einen Sichtmauerwerksbau kategorisch ablehnen würde. Dieses Problem habe ich ganz einfach dadurch gelöst, dass ich in der Baubeschreibung zum Bauantrag in der Spalte für Aussenputz einfach keine Angabe gemacht habe. So wurde das Bauwerk dann auch genehmigt und später habe ich mich darauf berufen, dass durch die Vermeidung von Ausssenverputz automatisch ein Sichtmauerwerksbau entstünde. Die Reaktion der Baubeamten auf meine Hinterlist war etwas säuerlich. Letztlich bekannte sich aber auch das Bauamt der Stadt Regensburg zur Sichtmauerwerksbauweise, viele Jahre später dadurch erkennbar, dass ich – schon in Berlin – einen Anruf des Regensburger Planungsamts erhielt, in dem ich gefragt wurde, ob ich mich in meinen Urheberrechten verletzt fühlen würde, wenn auf die Sichtmauerwerksfassade am Dörnbergpark nun ein Wärmedämmsystem aufgebracht würde. Städtischerseits sei man dagegen. Hätte ich nicht erklärt, dass ich einer derartigen Verschandelung nicht zustimmen würde, hätte die Stadt Regensburg dieses Gebäude kurzerhand unter Denkmalschutz gestellt. Nun hatte ich also das Problem zu lösen, wie man Schlagregendurchbrüche und Ausblühungen an Ziegelsichtmauerwerk verhindern könne. Ich hatte nämlich keine Lust, mich bereits bei meinem ersten grösseren Bauwerk zu blamieren. In den Unterlagen des Bayerischen Ziegelverbands fand ich hierzu nichts. Da gab es Bauregeln, die besagten, dass Mauerwerk vollfugig zu errichten sei. Sichtmauerwerk sei hohlfugig zu errichten, was besagte, dass im Fassadenbereich die Mauerfugen 4 cm tief auszukratzen seien und nachträglich mit „erdfeuchtem“ Mörtel erst in den Stoßfugen und sodann in den Lagerfugen mit einer Fugenkelle zu verfugen sei. Leider stehen diese weltfremden Regeln noch heute in den Fachbüchern drin.
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Aus meiner eigenen Praktikantenzeit am Bau wusste ich, dass es ein vollfugiges Ziegelmauerwerk schlicht nicht gab. Der Mauermörtel wurde nur als Würstchen im vorderen Bereich der Fassade aufgetragen. Im Mauerkern war zunächst alles hohl und offen. Die Verfüllung der inneren Stoßfugen erfolgte durch das Einfüllen von angetrockneten Mörtelresten, aber auch mit Zigarettenkippen und was sonst noch zufällig herumlag. Bauhelfer mussten außerdem heruntergefallenen Mörtel am Mauerfuß, der schon weitgehend abgebunden hatte, auf die Mauerkrone schippen. Dieser Dreck war das übliche Verfüllmaterial. Von vollfugig errichtetem Mauerwerk also keine Rede. Das lief nach dem Motto „aussen hui – innen pfui“. Ich musste mir da also etwas einfallen lassen, bei dem die Bauhandwerker auch dann mitspielten, wenn ich nicht gerade auf dem Gerüst stand. Ich entwickelte also folgende Arbeitsweise: Der Maurer musste sich beim Mörtelantrag in gewohnter Weise nur auf die Stoßfuge konzentrieren. Die innen liegenden Steinflächen blieben zunächst einmal unvermörtelt. Die Stoßfuge musste dabei etwas herausquellen. Der übergequollene Teil wurde nach etwa einer halben Stunde ganz einfach mit der Kelle mauerbündig abgeschnitten. Damit war die Fassadenfuge bereits fertig. Die nachträgliche Verfugung nach vorangegangenem Auskratzen – die auch Geld gekostet hätte – war also überflüssig geworden. Es gab also keine glattgebügelten Fugen mehr sondern eine sehr lebendige gekörnte Oberflächenstruktur. Die Verfüllung der bis dahin immer noch völlig offenen inneren Stoßfugen wurde durch Bauhelfer erledigt. Diese rührten in schwarzen Plastikeimern den normalen Mörtel mit viel Wasser zu einer Mörtelsuppe etwa in der Konsistenz einer Erbswurstsuppe an und schütteten diese Brühe in die Fugen hinein. Das überschüssige Wasser wurde sofort von den bisher trockenen Backsteinen aufgesaugt. Damit erhielt das Mauerwerk endlich auch das für den Abbindeprozess notwendige Wasser. Die gute alte Sitte, dass Ziegelsteine vor dem Vermauern zu nässen seien, war längst in Vergessenheit geraten und wäre auch nicht durchsetzbar gewesen. Jedenfalls war nun das Mauerwerk ausreichend feucht und vor allem vollfugig. Die damaligen Erstbedenken meines prachtvollen Poliers Josef Lang gegen diese neuartige Arbeitsweise, die ja ein blutiger Berufsanfänger sich ausgedacht hatte, zerstoben sehr rasch, als er sah, dass diese Arbeitsweise auch sehr rationell war. Die Zeit, die bisher die Maurer mit dem lustlosen Stochern in den Stoßfugen vergeudet hatten, musste von nun an nur noch für das Mauern aufgewendet werden. Der Fugenverguss wurde von den billigeren Bauhelfern erledigt. Allerdings tauchte auf meiner Baustelle eines Tages eine Abordnung des Bayerischen Ziegelverbandes auf, der von dieser Neuerung erfahren hatte. Er hatte die Sorge, dass diese Arbeitsweise den Baustoff Mauerziegel in Verruf bringen könnte. Das war eben etwas Neues und schon deshalb abzulehnen. Einige Jahre später hatte ich aber die Genugtuung, dass in Arbeitsblättern des Verbandes diese Arbeitsweise sogar ausdrücklich empfohlen wurde und hierbei die Texte meines Leistungsverzeichnisses, in dem die neue Arbeitsweise
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beschrieben war, wörtlich abgedruckt waren. Das Problem „Vollfugigkeit“ war also gelöst. Noch aber gab es das Problem „Ausblühungen“. Da musste man zuerst einmal herausfinden, was Ausblühungen eigentlich sind. In aller Regel sind Ausblühungen die Ablagerungen von zur Außenwand durchgewanderten Calziumionen und von löslichen Salzen die mit eingedrungenem oder kondensiertem Wasser transportiert werden. Letzteres kann man sogar mit einer Geschmacksprobe feststellen. Bei Mauerziegeln, die südlich der Mainlinie hergestellt werden, befindet sich im Stein kaum Salz. Mauerziegel aus dem norddeutschen Bereich kann man hingegen auch zum Würzen verwenden – so versalzt sind diese häufig. Man musste also die Salze und die Calziumionnen am Wandern behindern. Da kam mir der pure Zufall zu Hilfe. Noch als Student habe ich nämlich in einer Wühlkiste der Buchhandlung Hugendubel am Münchner Amiraplatz eine Baufachzeitschrift aus den 70er – Jahren des 19.Jhdts. entdeckt, auf deren Titelseite ein wunderschöner Stahlstich vom eben fertiggestellten Kölner Dom abgedruckt war, weshalb ich die Zeitschrift auch für 50 Pfennig gekauft habe. Innen drin fand ich einen Aufsatz eines Kölner Mauermeisters, in dem der berichtete, dass eine Zugabe von Trass 185 im Mauermörtel offenbar die Wirkung hätte, dass keine Ausblühungen mehr stattfänden. An diesen Aufsatz erinnerte ich mich dann einige Jahre später. Ich glaubte dem Kölner Maurermeister und ordnete daher an, dass dem Bindemittel im Mörtel etwa 10% Trass beizumengen sei. Erst viel später hat ein mir befreundeter Chemiker mir erklärt, dass Trass die Fähigkeit hätte, freie Calziumionen und Salze an sich zu binden und hieraus eine chemisch – kristalline und wasserunlösliche Verbindung entstünde. Jedenfalls hatte ich bei dieser Bauweise niemals auch nur den Hauch einer Ausblühung zu vermerken. Wichtig war letzten Endes auch eine genaue Mischrezeptur für den Mauersand. Die entwickelte ich stets in meiner Küche. Ich füllte in einen Maßkrug genau einen Liter Sand ein, trocknete diesen in einem Topf auf dem Herd und wog ihn sodann. Nun füllte ich den getrockneten Sand mit Wasser bis zum oberen Rand auf und wog das wieder. Der Gewichtsunterschied zeigte unmittelbar den Hohlraumanteil im Sand an. Meistens waren das etwa 30%. Durch Zugaben anderer Korngrössen wurde der Hohlraumanteil auf etwa 15 % abgesenkt. Dieser Hohlraum wurde dann in der Mörtelmischung durch das Bindemittel aus Kalk, Zement und Trass gefüllt. Damit war ein sehr guter Mörtel gegeben, der die richtige Struktur und gute Verarbeitbarkeit hatte. Diese Bauweise habe ich später in den mittleren 80er – Jahren auch bei einem Büro – und Geschäftshaus in Berlin –Reinickendorf vorgeschrieben. Bei einem Baustellenbesuch traf mich dann allerdings fast der Schlag als ich sah, dass an einer Mauerpartie ungefähr fünf Schichten ausgeblüht waren. Ich protestierte 185
Trass ist eine Art Naturzement, die in vulkanischen Landschaften z.B. in der Eifel oder in der Nähe von Neapel bei Puzzuoli gewonnen wird. Mit diesem Material haben schon die alten Römer Betonbauwerke errichtet.
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dagegen lauthals bis mir der Polier der Baustelle eingestand, dass eine Trasslieferung verspätet eingetroffen sei und man daher den Mörtel ohne Trass angerührt hätte. Daraufhin verpflichtete ich die Baufirma dazu, dass sie in den kommenden zehn Jahren regelmäßig anrücken müsse um die Ausblühungen trocken abzubürsten, also für die voraussichtliche Zeit, bis der Vorrat an freien Ionen aufgebraucht war. Jedenfalls war dies der letzte Beweis für die Wirkung des Trass´ im Mörtel. So – nun habe ich ein bisher streng gehütetes Berufsgeheimnis preisgegeben. Das ist aber ja durchaus im Sinne dieser Schrift, der ja darin besteht, dass meine Erfahrungen aus fast einem halben Jahrhundert Architektenleben nicht mit mir untergehen sondern dem Einen oder Anderen auch nützen. Schlussbemerkung
Ich habe Sie nun in die Welt der Bauphysik geführt und hierbei versucht den trockenen Fachbuchstil zu vermeiden. Meine Absicht ist dann erreicht, wenn Sie künftig selbst bei der Betrachtung Probleme weiterdenken. Machen Sie Gedankenexperimente. Denken Sie sich – nahezu meditativ – in die Welt der kleinsten Teilchen hinein. Unsichtbares wird hierbei sichtbar und anschaulich. Sie werden auf Fragen stoßen, an die Sie bis heute nicht einmal gedacht haben. Sie müssen also weiterforschen, weiterlernen, Fachleute und die Fachliteratur befragen. Geben Sie sich niemals mit unklaren Auskünften zufrieden. Gehen Sie den Dingen auf den Grund. Der Zweifel ist bei uns Architekten eine Tugend. Wenn der Staat und die Industrie uns zu irgendwelchen Dingen zwingen wollen, ist höchste Vorsicht angebracht. Als Architekt haben Sie eine moralische Verpflichtung zur Weiterbildung. Außerdem macht das auch noch Spaß und hält geistig fit.
Christoph Schwan am 6.August 2010
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Glossarium und Personen
Architekt. Beratender Beruf mit zahlreichen Aufgaben, die eine große
Vielseitigkeit erfordern. Neben den klassischen Berufsaufgaben wie Entwerfen von Gebäuden, Werk- und Detailplanungen, Bauleitungsaufgaben muss der Architekt weitere Fachgebiete wenigstens grundsätzlich beherrschen. Dazu gehören die Naturwissenschaften, Kunstgeschichte, Farbenlehre, Geometrie, Mathematik, Historische Handwerkstechniken, Materialkunde, Chemie, Physik, Gesundheitslehre, Garten- und Landschaftsbau, Musik, Freihandzeichnen, umfassende Kenntnisse des öffentlichen Baurechts, des Werkvertragsrechts, gute Ausdrucksfähigkeit in Wort und Schrift, Fremdsprachenkenntnisse, Organisationsfähigkeit, Menschenkenntnis und künstlerische Begabung. Der Beruf des A. gehört damit zu den vielseitigsten Berufen. Leider hat sich in den vergangenen Jahren das Berufsbild vom „Allrounder“ hin zum Entwurfsspezialisten entwickelt, der zahlreiche Berufsaufgaben an die sog. „Sonderfachleute“ überträgt. Damit entfernt er sich zunehmend von Fachgebieten, die er aber beherrschen sollte. Der Verfasser meint, dass diese Entwicklung, die zum Ansehensverlust der A. geführt hat, gedreht werden muss. Derzeit ist die Ausbildung von A. von schlechter Qualität. Entschieden zu kurz kommen die technischen Fächer. Bauphysik wird praktisch überhaupt nicht gelehrt. Zu vermuten ist, dass die Architekturlehrer selbst keine ausreichenden Kenntnisse über Bauphysik haben. Berg, Dipl.-Ing.Tilman. Ehem. Student des Bauingenieurwesens an der TU –
Berlin, Fachbereich allgemeiner Ingenieurbau. In seiner Diplomarbeit hat er den Energieeinspareffekt der Thermosfassade mit 56% gegenüber einer unverkleideten Nordwand ermittelt. Bernoulli, Daniel. 1700 – 1782, schweizerischer Mathematiker und Physiker,
Entdecker des nach ihm benannten Gesetzes von B., das besagt, dass die Summe von statischem und dynamischem Druck von strömenden Medien in einem geschlossenen System stets gleich groß ist. Wichtigste Grundlage der Aerodynamik. Strömungsprozesse sind auch an Bauwerken von Bedeutung. Bohr, Hendrik Niels David. 1885 -1962, dän. Physiker, Entdecker des nach ihm
benannten B.´schen Atommodells, dass noch immer trotz der weitergegangenen Forschung als gute Analogie der Bewegungen der Elektronen um den Atomkern gilt. Corioliskraft . Die Luftmassen strömen geradlinig von Zonen hohen in Zonen
niedrigen Luftdrucks. Da sich aber hierbei die Erde unter den Zugbahnen hinwegdreht, sind die Zugbahnen relativ zur Erdoberfläche gekrümmt. Auf der nördlichen Halbkugel gilt, dass Tiefdruckgebiete linksdrehend, Hochdruckgebiete rechtsdrehend umströmt werden. Südlich des Äquators ist es genau umgekehrt. Die verschiedenen Windrichtungen können hierbei ebenfalls erklärt werden. Befinden wir uns südlich eines Tiefdrucksgebietes, haben wir westliche Winde, bewegen wir uns in nördlicher Richtung, dreht der Wind zunehmend nach links. Befinden wir uns nördlich des Tiefdruckgebietes, haben wir es mit
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östlichen Winden zu tun. Dämmstoff. Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit, die fast immer
strukturbedingt ist. Die Wärmeleitzahl, die in bauphysikalischen Berechnungen mit dem Zeichen (λ) bezeichnet wird, drückt aus, welche Energiemengen durch einen Würfel mit der Kantenlänge 1,00 m in einer Stunde und bei 1 K Temperaturdifferenz durchgeleitet werden. Er wird daher in der Größe (W/mK) angegeben. Dämmung . Im Bauwesen Methode zur Behinderung der Wärmeleitung. Die
Wirkung wird dadurch sichtbar, dass die Menge der durchgeleiteten Wärmeenergie in der Zeit geringer wird. Dämmung beeinflusst somit den zeitlichen Ablauf der Energieverlagerung, nicht jedoch die Energieverlagerung als solche. Ein Beispiel: Wenn Sie ein gedämmtes mit einem ungedämmten Haus vergleichen, beide Häuser den gleichen energetischen Zustand haben und die Heizanlage gleichzeitig abschalten, werden nach einer gewissen Zeit beide Häuser den gleichen Energiezustand haben. Im Winter hängt dies davon ab, ob die Abkühlungsphase von intensiver Sonneneinstrahlung begleitet ist oder nicht. Bei sehr geringem exogenem Energieeintrag wird wahrscheinlich das nicht gedämmte Haus früher ausgekühlt sein, das gedämmte Haus später. In beiden Fällen ist jedoch die gespeicherte Wärmeenergie verloren gegangen. Hieraus folgt, dass Dämmung nur den zeitlichen Ablauf des Wärmeverlustes beeinflusst, nicht jedoch dessen Größenordnung. Die Heizkostenrechnung bleibt also in beiden Fällen gleich groß. Dewar, Sir James. Schottischer Erfinder des nach ihm benannten D.-Gefässes,
der heute als Gebrauchsgegenstand weit verbreiteten Thermoskanne, einer praktischen Anwendung des Strahlungsgesetzes von Stefan – Boltzmann. Immer noch eine der besten Methoden zur Behinderung von Energieverlagerungen, weit besser als die Dämmtechnik. Widerstand Wasserdampfdurchtritt in (m²h Pa/kg) Diffusionswiderstand.
eines
Materials
gegen
den
Dipol. Material mit einem magnetischen Plus – und einem Minuspol, allgemein
bekannt in der Form eines Stabmagneten. Wassermoleküle sind ebenfalls Dipole, die sich auf die physikalischen Eigenschaften von Wasser auswirken. Wird Wasser erhitzt, überwiegen ab gewissen Temperatur – und Druckverhältnissen die Molekularbewegungen energetisch die auf der Dipoleigenschaft beruhenden Adhäsionskräfte der Teilchen untereinander. Wasser wird sodann dampfförmig. Kondensation entsteht beim umgekehrten Vorgang. Drittmittel. Spenden aus der Wirtschaft an die Forschungsinstitute, ohne die die
heute praktizierte Forschungsarbeit nicht mehr möglich wäre. Für die Hochschullehrer gilt als Qualitätsmerkmal die Höhe der eingeworbenen Drittmittel. Davon hängen auch die Chancen, in eine höhere Gehaltsklasse eingestuft zu werden, ab. Gefahr: Eine zweckfreie Forschung findet daher kaum
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mehr statt. Die heutige Forschung hat sich von den Interessen der Industrie abhängig gemacht. Eichler, Friedrich. Bekannter und führender Bauphysiker in der alten DDR, vor
allem bekannt durch seine „Bauphysikalische Entwurfslehre“. Emulsion. Mischung feinster Tröpfchen in anderen Flüssigkeiten, sodass sie
Lösungen ähneln. In der Technik werden E. häufig mit Ultraschall hergestellt. Energetische Gebäudeoberfläche. Der Verfasser versteht unter der e.G. die
Wandoberfläche hinter Verkleidungen, die der Energieeinsparung dienen sollen. Energie . Fähigkeit Arbeit zu leisten. Daher wird sie häufig über die
Arbeitsleistung definiert. Die Einheit der Energie ist die (Ws). Abgeleitet ist diese Größe aus dem Nm (Newtonmeter). Ein Nm ist die Energie, die benötigt wird, um die Masse 1 kg von der Ruhe auf eine Geschwindigkeit von 1m/s zu beschleunigen. Diese Definition gilt im gesamten Universum. Frühere Maßeinheiten waren mit der Erdanziehungskraft verknüpft, z.B. das Kilopond (kp). Energiebilanz. Eine E. entsteht bei der Betrachtung von Gebäudeoberflächen
durch die Verrechnung von Energieeintrag und Energieabtrag. Sie haben unterschiedliche Richtungen die durch Vorzeichenwechsel hinreichend genau beschrieben werden können. Der Verfasser hat für Energieeintrag das Vorzeichen (+), für Energieabtrag das Vorzeichen (-) gewählt. Für die Energiebilanz, die einen verrechneten Energiestrom darstellt, hat er das physikalische Zeichen (Φ b) gewählt. Angegeben wird (Φb) bei stündlicher Betrachtungsweise in (W/m²h). Energiebilanzwert. Durchschnittswert von (Φb) über einen definierten Zeitraum. Energieerhaltungssatz. Energie kann in einem geschlossenen System weder
erzeugt noch vernichtet werden. Der Energiegehalt des Universums ist immer gleich groß. Wird in bauphysikalischen Berechnungen „Energieverlust“ berechnet, ist das eigentlich falsch. Gemeint ist hier Energie, die sich der Nutzung durch den Menschen entzieht. „Energieverlust“ ist daher ein anthropozentrischer Begriff. Die Umwandlung von einer Energieform in die andere geschieht verlustlos. EnEV . Energieeinsparverordnung seit 2002 gültig. Im Bauwesen derzeit
Rechtsgrundlage zum Nachweis einer ausreichenden Energieeinsparung, die dann nachgewiesen ist, wenn ein bestimmter U-Wert nicht überschritten wird. Die sonstigen Anforderungen der EnEV sind weitgehend sinnvoll. Der Verfasser vertritt jedoch die Auffassung, dass das der EnEV zugrunde liegende bauphysikalische Modell falsch ist. Der systematische Fehler der EnEV besteht darin, dass der Staat den inzwischen gescheiterten Versuch gemacht hat, den Verbrauch an Energie durch technische Verfahren zu regeln. Es würde vollkommen genügen, wenn der Staat gewisse maximale
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Energieverbrauchswerte verordnet und die technische Lösung aber den Fachleuten überlässt und somit auch nicht den technischen Fortschritt behindert. Damit wäre auch der Lobbyarbeit der verkaufswütigen Industrie und der damit verbundenen Korruption der Boden entzogen. Entropisches Prinzip . Das e.P. besteht darin, dass in einem geschlossenen
System sich stets der niedrigste Energiezustand einstellt. Fluid. In der Strömungslehre Bezeichnung für Gase und Flüssigkeiten. Fourier, Jean Baptiste Josèphe de. 1768 – 1830, franz. Physiker, hier von
Bedeutung durch das sog. fourier´sche Gesetz über Wärmeleitung, die eine lineare Funktion mit den Parametern Wärmeleitfähigkeit, Materialdicke und Temperaturunterschied darstellt. Es handelt sich hier um einen sog. „einfachen Sachverhalt“. Das F.Gesetz gilt in der verstümmelten Form nur für den stationären Zustand der Randbedingungen und ist daher im Bauwesen unzureichend, da dort nur instationäre Randbedingungen, die überwiegend wetterbestimmt sind, herrschen. Unbeachtet bleiben beim F.Gesetz auch sonstige physikalische Erscheinungen, von denen F. noch nichts gewusst hat. Durch Steuermittel, Drittmittel und Gutacherhonorare finanzierte Institution für die Erforschung von Technologien im Bauwesen. Wegen der Finanzkonstruktion des F. kann es nicht mehr als Institution für zweckfreie Forschung angesehen werden. Das F. ist inzwischen weitgehend kommerziell ausgerichtet. Man muss dennoch dem F. eine weitgehend gute Arbeit bescheinigen. Fraunhoferinstitut
für
Bauphysik.
Gertis, Prof.Dr.-Ing.utr. Karl, früherer Leiter des Fraunhoferinstituts für Bauphysik in Stuttgart und Holzkirchen. Anhänger der genormten Bauphysik,
teilweise jedoch auch beachtenswerte neue Denkansätze. Frühzeitige Beschäftigung mit der Physik der Wärmestrahlung, leider nicht konsequent zu Ende geführt. Vor einigen Jahren emeritiert. Globalstrahlung . Die G. ist die ungeminderte Einstrahlungsleistung der Sonne
senkrecht zu einer Ebene, Sie wird in (W/m²) angegeben. Da das Sonnenlicht durch vielfältige Randbedingungen geschwächt wird, z.B. Bewölkung, Dunst und durch den Umstand, dass die tiefstehende Sonne dickere Luftmassen durchdringen muss, kommt die G. in voller Stärke kaum zur Wirkung. In Berechnungen muss sie daher abgemindert werden. Der Bedeckungsgrad des Himmels ist i.W. vom Luftdruck abhängig. Der Verfasser arbeitet daher mit druckabhängigen Abminderungswerten. Nicht zu verwechseln mit der Solarkonstanten , die die Einstrahlungsleistung oberhalb der Atmosphäre darstellt. Hauser, Prof. Dr.-Ing. Gerd. Seit 2005 Nachfolger von Karl Gertis im Fraunhoferinstitut für Bauphysik und Hochschullehrer an der TU – München für
das Fachgebiet Bauphysik, u.A. Berater der Deutschen Bundesregierung auf dem Gebiet der Energieeinsparung, maßgebend bei der Entwicklung der EnEV,
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prominentester und einflussreicher Befürworter der „alten“ Bauphysik. Hyperbeltragik. Die
Wirtschaftlichkeit von Dämmstoffen nimmt mit zunehmender Dicke wie ein gegen Null strebender Hyperbelast ab. Die Wirtschaftlichkeitsgrenze wird bei etwa 80 mm Dämmstärke erreicht. Eine rechnerische und praktische darüber hinausgehende Verbesserung des Wirkungsgrades von Dämmungen ist nicht möglich. In der DIN 4108 wird dies jedoch nicht berücksichtigt. Instationär nennt man einen Zustand der Randbedingungen, der einem
gesetzmäßigen oder chaotischen Wechsel unterliegt. Wetterbestimmte Randbedingungen sind instationär und chaotisch, weshalb sie nicht berechenbar sondern nur messbar sind. Die DIN 4108 und die EnEV gehen dagegen von stationären Randbedingungen aus. Daher führen die genormten und verordneten Berechnungsverfahren zu mehr oder weniger falschen Ergebnissen. Kinetische Energie . Wärmeenergie in Stoffen wird nach der kinetischen
Wärmetheorie als die Bewegungsenergie definiert, in der sich Stoffteilchen befinden, die um einen Ruhepunkt schwingen. Es gelten somit die Bewegungsgesetze für gleichmäßig beschleunigte und verzögerte Bewegungen. Entdeckt wurde dies durch die Brownsche Molekularbewegung, die sichtbar gemacht werden konnte. Bis zur Entdeckung dieses Prinzips Mitte des 19.Jhdts. herrschte die Phlogistontheorie vor, die Wärme als „diskrete Flüssigkeit“ beschrieben hat. Aus dieser Phase der wissenschaftlichen Erkenntnis rührt noch der Begriff „Wärmestrom“ her wie auch das Gesetz über Wärmeleitung von Fourier im späten 18.Jhdt. Klima . Statistische Zusammenfassung von Wetterereignissen, die meistens bis
30 Jahre zurückverfolgt werden. Ein tatsächliches Klima gibt es nicht. Daher gibt es auch keine „Klimakatastrophen“ sondern nur Wetterkatastrophen. Ob das Klima katastrophal ist oder nicht, kann objektiv nicht beurteilt werden. Immerhin leben wir nicht schlecht von früheren „Klimakatastrophen“. Wir hätten nämlich weder Steinkohle noch Erdöl. Die Entwicklung der modernen Zivilisation war nur möglich auf der Grundlage eines Klimas, dass unsere heutigen Propheten als Klimakatastrophe bezeichnen würden. Kondensationswärme. Wärmeenergie, die zur Umwandlung vom flüssigen in
den dampfförmigen Aggregatzustand bei unveränderter Temperatur aufgewendet wird. Beim umgekehrten Vorgang wird Kondensationswärme wieder frei. In der Heiztechnik in der sog. „Brennwerttechnik“ zur Verbesserung des Wirkungsgrades sehr erfolgreich genutzt. Konvektion. Unter K. versteht man in der Physik den Energieübergang von Fluiden in Festkörper und den umgekehrten Vorgang. Erste Überlegungen hierzu stammen von Isaac Newton . Er postulierte bereits eine spezifische, auf den Vorgang abgestimmte Wärmeübergangszahl , ohne sich damit aber näher
zu beschäftigen. Die Größe des konvektiven Energieübergangs bei K. hängt von
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zahlreichen Einflüssen ab. Im Detail entsteht K. dann, wenn Teilchen des Fluids mit Teilchen des Festkörpers zusammenstoßen und hierbei wie bei Wärmeleitung in Festkörpern Schwingungsenergie übertragen wird. Das Ausmaß der K. wird bei gasförmigen Fluiden von der Häufigkeit der Kollisionen maßgeblich mitbestimmt. Daher ist die Strömungsgeschwindigkeit von Gasen an Festkörpern eine ausschlaggebende Größe. Bis heute gibt es für K. keine sicheren Berechnungsverfahren. Die Werte für die Wärmeübergangszahl müssen daher experimentell bestimmt werden. Am Geringsten ist K. bei ruhender Luft. Hier kann mit einem Wert (α) von 2 W/m²K gerechnet werden. Konvektive Prozesse im Bauwesen bedürfen dringend einer wissenschaftlichen Untersuchung. Konvektives Heizungssystem. Heiztechnik, die darauf beruht dass an erwärmten
Flächen – Heizkörpern – Luft erwärmt wird und sodann ungeregelt, meistens walzenartig sich im Raum bewegt. Den Übergang von Wärmeenergie vom Heizkörper in die Luft nennt man „Konvektion“. Meteorologie. Unexakte Lehre über das Wettergeschehen. Angesichts des
chaotischen Ablaufs der Randbedingungen, die zum Wetter führen, ist es den Meteorologen auch künftig verwehrt, präzise Wettervorhersagen für Zeiträume über die Dauer von mehr als drei Tagen herauszugeben. Daher werden sie im Volksmund etwas bemitleidend als „Wetterfrösche“ bezeichnet. Ihre geringe wissenschaftliche Reputation versuchen die Meteorologen damit aufzubessern, dass sie seit einigen Jahren Prognosen über die Entwicklung des Klimas in ferner Zukunft veröffentlichen. Damit diese die erwünschte Aufmerksamkeit erregen, werden sie in die Form von Horrorvisionen gekleidet. Daneben verbreiten sie offenkundigen wissenschaftlichen Unsinn. Ein Beispiel hierfür ist die These, dass die Erde sich zwischen ihrer Oberfläche und der Wetterobergrenze in etwa 10 000 m Höhe wie ein Treibhaus verhielte. Beschäftigt man sich mit der Wirkungsweise eines echten Treibhauses, kommt sehr rasch zu Tage, dass die Treibhausthese nicht einmal als Analogie taugt. Das Spurengas CO 2 heißt nun „Klimakiller“ und ist an der Energierückhaltung dennoch nur minimal beteiligt. Die große Stabilität der im globalen Ausmaß gemessenen Temperatur der Atmosphäre geht im Wesentlichen auf den dort vorhandenen Wasserdampf zurück. Die von der M. genannten Temperaturschwankungen beweisen nicht eine dräuende Klimakatastrophe sondern zeigen, dass ein sich selbst regelnder Prozess stattfindet. Man sollte sich darüber klar werden, dass Horrorvisionen ein gut verkäufliches Produkt sind und somit kommerzielle Interessen im Vordergrund stehen. Die gleiche Wissenschaft hat vor kurzem vor einer neuen Eiszeit gewarnt. Die Aussicht auf eine Belebung des Wintersports hat jedoch diesem Szenario die erwünschte Wirkung entzogen. Also probiert man es nun einmal anders herum. Muthesius Sebastian. Bekannter Geigenbauer in Berlin, Abkömmling eines
berühmten Geschlechtes von Geigenbauern und Architekten. Normen . Unverbindliche Handlungsempfehlungen des Deutschen Instituts für
Normung (DIN), die den Anwender auch bei deren Einhaltung nicht von der
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eigenen Verantwortung freistellen. Diese Warnung trifft der Deutsche Normenausschuss selbst. Die Norm, dass Schrauben ein Rechtsgewinde haben müssen und dass Schrauben und Muttern verschiedener Hersteller zusammenpassen, ist vernünftig. Im Bauwesen haben sich allerdings Normen breit gemacht, bei denen es nicht mehr um die Vereinheitlichung technischer Lösungen geht, sondern nur noch um die Schaffung von Monopolen, die von den Vertretern der Baustoffherstellern, die die Normenausschüsse dominieren, durchgesetzt werden. So sind in den Normenausschüssen für das Bauwesen Architekten kaum vertreten. In dieser Beziehung versagen auch die Architektenkammern. Ein unerschöpfliches Thema, für das sich auch einmal die Staatsanwälte interessieren sollten. Eine vernichtende Beurteilung der Normenausschüsse findet sich im sog. „Meersburger Urteil“, in dem festgestellt wird, dass wirtschaftlich orientierte Interessenverbände ein unangemessenes Übergewicht in den Normenausschüssen haben. Der DIN selbst erklärt, dass der Anwender von Normen „auf eigene Gefahr“ handelt. Ähnliche Warnungen findet man am Fuß der Eigernordwand. Nutzerverhalten. Die Verfechter der EnEV und der damit verbundenen
Berechnungsverfahren entschuldigen deren Fehlerhaftigkeit mit dem unsicheren Nutzerverhalten. Der Verfasser meint, dass daher das Nutzerverhalten erforscht werden müsste, sodass wenigstens ein durchschnittliches N. bekannt wird. Orografisches Wetter. Besonderheiten von örtlich begrenzten typischen
Wetterlagen. Osmose. Diffusion von Flüssigkeiten durch halbdurchlässige (semipermeable)
Membranen bei unterschiedlichen Lösungsdrücken solange, bis diese sich ausgeglichen haben. Ursache zahlreicher Naturerscheinungen, aber auch im Bauwesen, die sich dort meistens als Blasenbildung an Anstrichen und auf Flachdächern bemerkbar machen. Partialdampfdruck. Der Teildruck des in der Luft vorhandenen Wasserdampfes.
Bauweise mit besonders geringem Heizenergiebedarf. Hochdämmende Hüllflächen und Techniken für den exogenen Energieeintrag werden kombiniert. Der hohe technische Aufwand verursacht unwirtschaftliche Baukosten, sodass eine Wirtschaftlichkeit fast nie erreicht wird. Die Bezeichnung „Passivhaus“ ist unglücklich gewählt, da sie – wörtlich übersetzt – „Haus der Leiden“ bedeutet. Passivhaus.
Probst, Dipl.-Ing. Raimund . Architekt, ehemals Hochschullehrer an der TU –
Karlsruhe, Senator e.h. der Stadt Frankfurt/Main, mehrfache Auszeichnungen. Bedeutend als Begründer der „Analyse von Bauschäden“ mit umfangreicher Lehrtätigkeit für Baufachleute. Die Teilnehmer an seinen Seminaren nennen sich selbst mit einem gewissen Stolz „Probstschüler“. Hierzu gehört auch der Verfasser. P. ist völlig unzugänglich für die Lobbyarbeit der Industrie. Daher auch vielfach angefeindet. P. folgt jedoch der Devise „Viel Feind-viel Ehr“.
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Prozesswärme. Wärmeenergie, die von Aggregaten als Abwärme freigesetzt
wird. Sie kann, wenn sie nennenswert ist, in die Wärmebedarfsberechnungen eingesetzt werden. Raumklima. Das Raumklima wird im Wesentlichen bestimmt durch das
Strahlungsklima, die relative Luftfeuchtigkeit und die Lufttemperatur. Man sollte auch akustische Eigenschaften eines Raumes hinzunehmen, da diese die Behaglichkeit mitbestimmen. Ein günstiges Strahlungsklima stellt sich bei Wandoberflächentemperaturen von 19 – 21 °C ein. Die anderen Eigenschaften stellen sich hierbei von selbst bei den günstigsten Werten ein. Daher ist das Strahlungsklima das Wichtigste. Reflexion. Zurückwerfen von elektromagnetischen Wellen (z.B. Licht und
Wärmestrahlung) an der Grenzfläche von zwei Medien. An glatten Reflexionsschichten gelten die Reflexionsgesetze, z.B. für die Gleichheit von Einfalls- und Ausfallswinkel. Relative Luftfeuchte. Die r.L. zeigt in (%) an, in welchem Maße Luft mit
Wasserdampf angereichert ist. Hierbei spielt die Temperatur eine entscheidende Rolle, sodass die Aufnahmefähigkeit der Luft für Wasserdampf von der Lufttemperatur abhängt. Erreicht die r.L. den Wert 100% und es kühlt sich sodann die Luft ab, kommt es zum Ausfall von Tauwasser. Daneben ist auch der Luftdruck für die r.L. maßgebend, was z.B. an der scharfen Wolkenuntergrenze erkennbar ist. Die r.L. ist bestimmend für ein behagliches Raumklima. Der Bestwert liegt bei 40 – 45%. Ein wirksames Gegenmittel gegen zu große r.L. in Räumen ist im Winter der Austausch von kalter Frischluft mit der warmen Raumluft, da kalte Luft einen geringeren Wasserdampfgehalt hat und somit der absolute Wasserdampfgehalt der Raumluft und damit auch die r.L. gesenkt wird. Die Größenordnungen können Tabellen entnommen werden. Sehr anschaulich und praktisch handhabbar ist auch das Mollierdiagramm. Tauwasserbildung auf Innenwänden ist stets mit zu hohen r.L. verbunden. Poröse Baustoffe sind mit wasserdampfhaltiger Luft durchsetzt. Diese führt unter bestimmten Bedingungen zur Tauwasserbildung im Baustoff. Das sog. „Glaserverfahren“ diente bis vor kurzem zur Berechnung von Tauwasserbildungen. Inzwischen hat es sich als unbrauchbar erwiesen, da man erkannt hat, dass der Faktor Zeit in die Berechnungen mit aufgenommen werden muss. Auch hier hat sich gezeigt, dass die Annahme des stationären Zustands zu fehlerhaften Ergebnissen führt. Dass nun konsequent diese Erkenntnis auch auf die sonstigen energetischen Berechnungen übertragen werden müsste, hat sich in der „amtlichen“ Bauphysik noch nicht herumgesprochen. Schwan, Christoph Dipl.-Ing.(FH) Architekt. 1938 in Karlsruhe geboren,
Jugendzeit im Taubertal, Architekturstudium von 1958 bis 1966 in München als Werkstudent, von 1967 bis 1981 in Regensburg, seitdem in Berlin freischaffend tätig. Erfinder der Termosfassade. Studien zur Erhaltung von Altstädten (Der Schwanplan 1972), ständige Beschäftigung mit bauphysikalischen Problemen, Vorträge vor Baufachleuten über bauphysikalische Themen und die
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Temperiermethode. Schwarzer Strahler. Der S. ist ein theoretisches und in der Natur nicht
vorkommendes Gebilde mit einer maximalen Strahlung und Absorptionsleistung. Der Reflexionsgrad hingegen ist beim S. null. Er ist wesentlicher Teil des Strahlungsgesetzes von Stefan-Boltzmann. Er wird da mit der StefanBoltzmann-Konstanten von 5,671 W/m²K 4 beschrieben, die das Zeichen (σ) hat. Die Stefan-Boltzmann-Konstante drückt zugleich aus, dass die Strahlungsleistung einer Oberfläche in der 4.Potenz proportional zur absoluten Temperatur steht. Auf die einschlägige Fachliteratur wird verwiesen. Schwimmender Estrich. Dünne Plattenkonstruktionen aus Gips, Zementmörtel,
Asphalt und aus Bauplatten auf weichen Dämmschichten zur Reduzierung des sog. „Trittschalls“. Semipermeable Membranen. Siehe Osmose. Sensor . In der Technik eine Vorrichtung zum Erkennen von äußeren Einflüssen,
die Regelimpulse auslöst. In der Natur prinzipiell ebenso, z.B. die Verengung der Pupille bei hellem Licht. Simulationen. Bauphysikalische Berechnungen werden nach Norm und EnEV
unter der Annahme durchgeführt, dass die physikalischen Ereignisse stets gleichen Randbedingungen unterworfen wären. Diese Annahme hat mit den tatsächlichen Verhältnissen nichts zu tun. Die so gewonnenen Rechenergebnisse sind daher durchwegs falsch. Die moderne Computertechnik ermöglicht ein beliebig genaues Rechenverfahren mit Simulationen. Hierbei kommt es darauf an, dass die eingegebenen Randbedingungen so genau wie möglich ermittelt werden. Der Verfasser rechnet bei den von ihm entwickelten Simulationen (quasiinstationär) mit stündlich ermittelten Randbedingungen. Zur Entschuldigung der derzeit noch vorgeschriebenen, aber extrem ungenauen Verfahren auf der Grundlage des stationären Zustands der Randbedingungen kann gesagt werden, dass zum Zeitpunkt der Entstehung z.B. der DIN 4108 in den 40er – Jahren des vorigen Jhdts. Hilfsmittel wie elektronische Taschenrechner, geschweige denn Computer noch nicht zur Verfügung standen. Simulationen hätten daher „zu Fuß“ gerechnet werden müssen. Hierfür hätte man mehr als zwölf Jahre Rechenzeit benötigt. Heute leistet die gleiche Arbeit ein PC in wenigen Minuten. Seit mindestens 25 Jahren hätte man aber in der amtlichen Bauphysik sich moderner Verfahren bedienen können. Sommerlicher Wärmeschutz. Baukonstruktive Maßnahmen zur Vermeidung der
sommerlichen Aufheizung von Gebäuden. Massivgebäude verfügen fast immer über einen ausreichenden s.W. Bei leichten Konstruktionen kann der s.W. durch sinnreichen Einbau von reflektierenden Baustoffen erreicht werden. Einen guten s.W. bewirkt auch die Termosfassade. Kennzahl ohne Benennung, die die Beeinflussung des strahlungsbedingten Wärmestroms zwischen Flächen mit Strahlungsaustauschkoeffizient.
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unterschiedlichem Strahlungskoeffizienten ausdrückt. Strahlungsgesetz von Stefan-Boltzmann. Zunächst von
Stefan empirisch gefundene Gesetzmäßigkeit, wonach die Strahlungsleistung in (W/m²) in der vierten Potenz proportional zu absoluten Temperatur eines Strahlers steht. Durch Ludwig Boltzmann mathematisch bestätigt. Das S. bezieht sich auf das gesamte Spektrum der Wärmestrahlung und ist somit als Integral zu verstehen. Mit einer Umformung der Grundgleichung des S. kann von einer gegebenen Strahlungsleistung auf die Temperatur eines Absorbers geschlossen werden. Zu berücksichtigen ist bei allen derartigen Berechnungen der Emissionskoeffizient (ε) der strahlenden oder absorbierenden Flächen, der als unbenannte Zahl angibt, in welchem Verhältnis die Flächen zum Schwarzen Strahler mit dem (ε) = 1 stehen. Bezugsgrösse ist die Stefan-Boltzmann – Konstante (σ) mit dem Zahlenwert 5,671, die nur für den Schwarzen Strahler gilt. Aus unerfindlichen Gründen findet das S. keine Berücksichtigung in der amtlichen Bauphysik, obwohl es von ausschlaggebender Bedeutung ist. Strahlungskoeffizient. Der S. ist eine unbenannte Zahl und drückt aus, wie sich Absorption und Reflektion von Wärmestrahlung zum Schwarzen Strahler
verhalten. Er hat in physikalischen Berechnungen die Bezeichnung (ε). Technischer Erfolg. Neben der Errichtung eines mangelfreien Bauwerks
innerhalb der vertraglichen Frist schuldet der Architekt auch einen t.E. Tritt dieser nicht ein, ist der Architekt zum Schadensersatz verpflichtet. Der Eintritt des t.E. ist eine höchstpersönliche und daher nur vom Architekten geschuldete Leistung. Die Berufung auf Normen und ähnliche Regelwerke und schon gar nicht auf Prospektangaben befreit den Architekten nicht vom zugesagten t.E. U-Wert. Früher als k-Zahl bekannt, angegeben in (W/m²K) Der U. ist der sog.
„Wärmedurchgangskoeffizient“. Er entsteht aus der Addition der Kehrwerte der einzelnen Wärmedurchlasswiderstände 1/Λ unter Hinzufügung der Kehrwerte der Wärmeübergangswiderstände an der Gebäudeinnen- und aussenfläche. Nach EnEV ist der U. die wichtigste Kennzahl für den Nachweis energieeinsparender Bauweisen. Der U. ist aus mehreren Gründen fehlerhaft: Er entsteht aus einem bauphysikalischen Modell, bei dem stets gleiche Randbedingungen herrschen. Die Wärmeübergangswiderstände sind willkürliche Festwerte. Strahlungsprozesse werden beim U. vollkommen vernachlässigt, obwohl ihnen überragende Bedeutung zukommt. Weiterhin wird die Wärmekapazität der Baustoffe nicht berücksichtigt. Würde man den U. wenigstens von den Wärmeübergangswiderständen entkleiden, wäre der noch verbleibende Wärmedurchlasskoeffizient noch brauchbar zum Nachweis der Tauwasserfreiheit von Aussenwandkonstruktionen. Er würde die Dämmfähigkeit annähernd richtig beschreiben. Derzeit muss man den U. im Bereich des Bauwesens als wissenschaftlichen Unfug bezeichnen. Wandheizungen. Heiztechnik, die die unmittelbare Einleitung von Wärmeenergie
in die Wand vorsieht. Das Ziel besteht hierbei in der Schaffung eines bekömmlichen Strahlungsklimas im Raum.
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Wärmekapazität .
Spezifische Eigenschaft von Stoffen zur Fähigkeit, Wärmeenergie abzuspeichern. Angegeben in (Wh/kgK). Die Wärmekapazität von Stoffen kann Tabellenwerten entnommen werden. Wasser hat von allen in der Natur vorkommenden Stoffen die höchste Wärmekapazität mit etwa 1 Wh/kgK. Der genaue Wert hängt von der Wassertemperatur ab. Wärmekraftkopplung. Heiztechnik, bei der der Wärmebereiter ein Dieselmotor
ist, der nach der thermischen Abwärme ausgelegt wird. Die mechanische Leistung des Motors wird mittels Generatoren in elektrischen Strom umgewandelt, der entweder selbst genutzt wird oder in das öffentliche Netz eingespeist wird. Als Betriebsmittel kann Gas, Heizöl oder Pflanzenöl eingesetzt werden. Verbesserungsfähig durch Brennwerttechnik, da die Abgastemperatur der Motoren zwischen 100 – 120 °C liegt. Noch ungelöst ist die Russfilterung bei Ölverbrennung. Sehr gute Energieausbeute und hohe steuerliche Begünstigung. (andere Bez. „Wärmeübergangskoeffizient“), In physikalischen Berechnungen wird die W. mit dem Buchstaben (α) bezeichnet und in der Größe (W/m²K) angegeben. Die W. wird durch zahlreiche Einflussgrössen bestimmt, z.B. Temperaturdifferenz zwischen Fluid und Festkörper, Feuchtezustand des Gases, geometrische Eigenschaften der Festkörperobefläche, Art der Anströmung (z.B. laminar oder turbulent, frei oder erzwungen), Anströmrichtung, Ausrichtung der angeströmten Fläche. Richtige W. können nur im Experiment ermittelt werden. In der Bauphysik und der DIN 4108 ist der Wert (αa), der den Wärmeübergang an der Gebäudeoberfläche mit einem Pauschalwert beschreiben soll, nahezu immer falsch. Daher kann der Energieabtrag nach Norm nicht ermittelt werden, auch wenn dies so vorgeschrieben ist. Von den Forschungsinstituten ist zu fordern, dass sie unverzüglich W. ermitteln, die eine Beurteilung des konvektiven Energieübergangs in richtiger Größe zulassen. Hierbei ist strikt nach konvektiven und strahlenden Vorgängen zu trennen, vor allem dann, wenn man sich für die Berechnung instationärer Zustände entscheiden sollte. Dies erzwingen die Regeln der Algebra. Die Berechnung von Konvektion erfolgt mit einfachen linearen Gleichungen, Strahlungsvorgänge werden mit Gleichungen 4.Grads behandelt. Derartige Gleichungen dürfen nicht in einem einzigen Rechengang behandelt werden. Wärmeübergangszahl.
Wetter . Der tatsächliche Ablauf des Wettergeschehens bis in eine Höhe von
etwa 10.000 m über Meereshöhe. Es wird bestimmt durch Sonneneinstrahlung, Umgebungsstrahlung, Bewölkung, Wind, Windrichtung, relative Luftfeuchte, Lufttemperatur, Luftdruck, Niederschläge, Dunst, Nebel, Oberflächentemperaturen des Bodens u.a.m. Fast alle diese Bestimmungsgrössen sind untereinander verknüpft. Es ist die einzige Ursache der Notwendigkeit des sommerlichen und winterlichen Wärmeschutzes. Unsere Gebäude stehen im Freien und unterliegen daher den Wettereinflüssen – genauer besehen ist das Wetter der Grund dafür, dass seit Jahrtausenden Gebäude errichtet werden.
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Verwendete Literatur (Auswahl)
Berg Tilman , Diplomarbeit an der TU-Berlin, Bestimmung der Wärmeverluste
durch einschichtige Wandkonstruktionen bei nachträglicher Anordnung reflektierender Schichten im Bereich nichthinterlüfteter Bekleidungen, 2002 Buderus , Handbuch für Heizungstechnik, 33.Aufl. 1994, Beuth Bundesregierung , Energieeinsparverordnung, 2007 (Internet) Cerbe/Hoffmann , Einführung in die Thermodynamik, 10.Aufl., Hanser Creifelds , Rechtswörterbuch, 13.Aufl. Beck Cziesielski, Göbelsmann, Röder , Einführung in die Energieeinsparverordnung
2002, 2.Auflage, Ernst & Sohn, 2002. Eichler Friedrich , Bauphysikalische Entwurfslehre, 2.Aufl. VEB Verlag für
Bauwesen Fraunhoferinstitut für Bauphysik , Wetterdaten (Internet) Herr Horst , Wärmelehre, 2.Aufl. Europa Lehrmittel Morgenstern Christian , Galgenlieder Raimund Probst , versch. Veröffentlichungen in Fachzeitschriften Scholz, Benjamin Dr. , Anfangsgründe der Physik, 3.Aufl. 1827 Wien, Verlag von
J.G.Heubner Abschlussbericht über einen Freilandversuch mit reflektierenden Platten in der Heizperiode 2002 – 2003, Texte und Diagramme, Eigenmanuskript Schwan
Christoph ,
Schwan Christoph , Berechnungen zur Thermosfassade, Eigenmanuskript 2006 Schwan Christoph , Die Temperierung, Eigenmanuskript 2001 Schwan
Christoph ,
Die
Thermosfassade,
Erklärung
für
Nichtphysiker,
Eigenmanuskript 2006 Vitruvius, Marcus Pollio , X libri de architectura, ca. 40 v.Chr. Übers. von Rhode,
Artemis, Verlag für Architektur, 2 Bde. 1987. Walletschek/Graw , Ökolexikon, 5.Aufl. 1994, Beck Verlag.