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Mein Beitrag zum Internet - mbzi.de

Wärmedämmung - oder das Haus als Knast für die Wärme

In den letzten Jahren sind die Energiekosten und insbesondere die Heizkosten eigentlich jedes Jahr gestiegen - die Frage war eigentlich immer nur, wie viel sie steigen. Nun will aber niemand unnötig Geld zum Fenster raus werfen (hier trifft dieses Bild tatsächlich wie die Faust aufs Auge) - sperren wir also die Wärme im Haus ein und lassen sie nicht mehr raus oder mit einem Wort WÄRMEDÄMMUNG.

Die Qualität der baulichen Wärmedämmung und die Temperaturdifferenz zwischen innen und außen sind die wesentlichen Einflussfaktoren auf die benötigte Heizenergie. Um die erforderliche Heizenergie und somit auch die Heizkosten möglichst niedrig zu halten, sind neben einfachen Verhaltensanpassungen auch bauliche Veränderungen denkbar. Grundsätzlich gilt:

Erklärung

Wozu benötigt man überhaupt Energie?

Die Überschrift hört sich völlig bescheuert an und die Antwort auf die Frage erscheint völlig klar: "Damit es warm ist!" Diese einfache Antwort ist aber viel zu oberflächlich, um die obigen Maßnahmen erklären zu können. Eigentlich braucht man Energie für zwei verschiedene Dinge:

  1. Zum erstmaligen Aufwärmen kalter Wohnräume
  2. Um durch die Wände, Fenster,.... entwichene Wärmeenergie zu ersetzen.

Auf den ersten Punkt hat man wenig Einfluss. Da diese Energiemenge aber eigentlich nie erforderlich ist, wenn man versucht, möglichst keine Energie aus dem Haus zu lassen, spielt das auch keine Rolle. Behält man möglichst alle Energie im Haus, wird dieses niemals abkühlen und ein erneutes Aufheizen ist unnötig. Natürlich ist ein solcher Zustand nicht zu erreichen, aber man kann versuchen, ihm durch eine gute Wärmedämmung möglichst nahe zu kommen. Je besser die Wämedämmung ist, desto weniger Energie kann das Haus verlassen und desto weniger kühlt das Haus ab wenn nicht geheizt wird. Am Ende läuft es also darauf hinaus, die Wärme möglichst effizient im Haus einzusperren. Je besser dies gelingt, desto weniger Energie ist zum Heizen erforderlich.

Physikalische Grundlagen des Wärmetransports

Im Prinzip gibt es zwei unterschiedliche Mechanismen, wie Wärmeenergie das Gebäude verlassen kann: Diffusion und Konvektion. Außerdem verlässt Wärme noch als Wärmestrahlung das Haus. Da jedoch Fenster und Wände weitestgehend undurchlässig für Wärmestrahlung sind, ist der Einfluss der Wärmestrahlung vernachlässigbar klein.

Beispiel für Konvektion und Diffusion

Stellen wir uns ein Glas Wasser vor, in das ein Teelöffel Zucker gegeben wurde. Wir könnten jetzt warten, dass sich der Zucker löst oder den Lösevorgang durch umrühren beschleunigen. Im ersten Fall überließen wir das Auflösen fast vollständig der Diffusion, im zweiten fast völlig der Konvektion. Wenn wir diesen Versuch tatsächlich durchführen, stellen wir fest, dass der Zucker sich beim Umrühren in sehr kurzer Zeit vollständig im Wasser löst, während der Lösevorgang ohne rühren viele Stunden in Anspruch nimmt. Die Konvektion ist also um ein vielfaches schneller als die Diffusion.

Stellen wir uns nun vor, der feste Zucker sei die im Haus eingesperrte Wärme und das Wasser die Umgebung des Hauses, so ergibt sich ein passables Bild der beiden Vorgänge, die für den Verlust von Raumwärme an die Umgebung verantwortlich sind.

Das obige Beispiel lässt sich jedoch nicht so ohne weiteres auf den Wäretransport übertragen. Es gibt ein paar erhebliche Unterschiede, die hier aber nicht im Einzelnen aufgeführt werden sollen. Insgesamt ergibt sich aus ihnen jedoch, dass der Geschwindigkeitsunterschied zwischen Konvektion und Diffusion von Wärme durch Luft nicht ganz so groß ist, wie der Modellversuch nahe legt.

Transport von Wärmeenergie

Im Prinzip ist Wärmeenergie nichts anderes als Bewegungsenergie der Moleküle oder Atome. Diese Bewegungsenergie kann dabei als Rotation, als Schwingung oder als schnelle Bewegung durch den Raum gespeichert sein. Je stärker sich die Teilchen bewegen, desto höher ist die Temperatur, denn das was wir als Temperatur messen und auch empfinden ist eigentlich nur ein Maß für die in der Teilchenbewegung gespeicherte Energie. Um nun irgend etwas zu erwärmen, muss man also die Bewegungsenergie der Telchen vergrößern. d.h. sie beschleunigen. Um die Wärme im Raum zu halten muss man auf zwei Dinge achten:

  1. Die "schnellen" Teilchen dürfen das Haus nicht verlassen können. Da dies ohnehin nur den "beweglichen" Teilchen der Luft möglich wäre, bedeutet dies, dass das Haus möglichst "Luftdicht" sein sollte. Ein luftdichtes Haus verhindert also den Wärmeverlust durch Konvektion.
  2. Teilchen stoßen aneinander und übertragen dabei Bewegungsenergie auf ihren jeweiligen Stoßpartner. Diesen Vorgang kann man sich vorstellen wie den Zusammenstoß zweier Billardkugeln. Auf diese Weise verteilt sich die Bewegungsenergie der Teilchen und damit auch die Wärmeenergie. Dieser Prozess kann sowohl zwischen Luftteilchen als auch zwischen Luftteilchen und "Wandteilchen" stattfinden. Auch innerhalb der Wand kann auf diese Weise Energie übertragen werden. Diese Art des Wärmetransports entspricht der Diffusion. Durch geeignete Materialien muss der Diffusionsprozess der Wärme durch Wände, Fenster, Dach und Fußboden möglichst verhindert werden. D.h. die Dämmstoffe müssen so beschaffen sein, dass sie entweder die Energieübertragung beim Zusammenstoß eines Luftteilchens mit der Wand unterbinden, so wie die Bande des Billardtisches ja auch kaum Energie der Kugeln aufnimmt, oder die Teilchen des Dämmmaterials müssen durch ihre Anodnung die Übertragung von Bewegungsenergie innerhalb des Dämmstoffes möglichst erschweren.

Diffusion durch den Dämmstoff auf Teilchenebene

Meistens erwärmen wir beim Heizen durch irgendeine pfiffiger Vorrichtung die Luft, d.h. wir erhöhen die Bewegungsenergie der Luftmoleküle. Die beschleunigten Luftmoleküle stoßen nun mit langsameren zusammen und übertragen dabei einen Teil ihrer Bewegungsenergie auf das Langsamere. Auf diese Weise verteilt sich die Energie im gesamten Raum und einigermaßen gleichmäßig über alle Luftmoleküle des Raumes.

Trifft ein "schnelles" Luftmolekül auf ein festes Hindernis, so prallt es von diesem wieder ab, allerdngs kommt es auch bei diesem Zusammenstoß zu einer Energieübertragung - das "getroffene" Atom oder Molekül des Hindernisses hat u.U. nach der Kollision mehr Bewegungsenergie als vorher. Auf diese Weise werden durch die Luft auch die Wände, die Fenster, der Fußboden, die Decke, die Möbel,.... des Raumes erwärmt. Die Teilchen der Feststoffe können sich natürlich nicht frei bewegen, sondern verharren auf ihrem Platz. Lediglich eine Schwingung um ihre Ruhelage, dem Schaukeln vergleichbar, ist möglich. Da in einem Feststoff die Teilchen ordentlich nebeneinander liegen, stößt das nun stärker schwingende Teilchen natürlich auch gegen seinen Nachbarn, der dann ebenfalls stärker zu schwingen beginnt. Die Bewegungsenergie verteilt sich auf diese Weise gleichmäßig im Feststoff und erreicht schließlich die andere Seite einer Wand und kann dort in analoger Weise wieder an ein Luftmolekül abgegeben werden. Wärmeenergie ist durch die Wand diffundiert.

Der Prozess der Diffusion von Wärmeenergie durch Festkörper ist demnach umso leichter möglich je besser die Übertragung der "Schwingungsenergie" von einem Teilchen zum anderen innerhalb des Feststoffes möglich ist und je weniger die Ordnung der Teilchen des Feststoffes gestört wird, denn Störungen der Ordnung, etwa durch Gaseinschlüsse, erschweren die Übertragung. Dies ist der Grund, warum die meisten guten Wärmeisolatoren im Baubereich Schäume sind. Entsprechend sind Metalle sehr gute Wärmeleiter, denn die Ordnung der Metallatome ist innerhalb des gesamten Metalls sehr groß und die Kopplung zwischen den Atomen durch die "gemeinsamen" Elektronen sehr stark, wodurch die Energieübertragung erheblich erleichtert wird. Metalle sind also als Dämmstoffe völlig ungeeignet.

Mathematische Betrachtung der Wärmediffusion

Für alle Diffusionsprozesse gelten im Grunde die gleichen physikalischen Gesetzmäßigkeiten, die z.B. bei Wikipedia ausführlich dargestellt werden und deshalb hier nicht noch einmal wiederholt werden sollen. Zusammenfassend ergibt sich aus den dortigen Erklärungen, dass der Transport von Wärme durch eine Barriere, z.B. eine Wand, proportional zum Gradienten der Energiedichte ist. Dieser Gradient lässt sich näherungsweise als Temperaturdifferenz zwischen innnen und außen betrachten. Daraus ergibt sich näherungsweise, dass bei doppelter Temperaturdifferenz zwischen innen und außen auch doppelt soviel Energie pro Sekunde durch die Barriere Transportiert wird. Betrachten wir ein Beispiel:

Angenommen, die Außentemperatur beträgt 5 °C und wir heizen die Wohnung auf behagliche 23 °C auf, so beträgt die Temperaturdifferenz zwischen innen und außen 18 °C. Würden wir uns einen Pullover anziehen und die Wohnung nur noch auf 18 °C aufheizen, betrüge die Temperaturdifferenz nur noch 13 °C. Im ersten Fall wäre die Temperaturdifferenz zwischen innen und außen 38 % höher als im zweiten Fall, wodurch näherungsweise auch 38 % mehr Energie pro Sekunde aus der Wohnung tranportiert wird wodurch letzlich unsere Heizkosten etwa 38 % höher wären.

Die Güte der Wärmedämmung ließe sich nun durch den Diffusionskoeffizienten beschreiben. Der Diffusionskoeffizien ist materialabhängig und beschreibt die Durchlässigkeit des Materials für z.B. Wärmeenergie. Er ist umso größer, je größer die Durchlässigkeit ist bzw. je schlechter die Wärmedämmung ist. Mit anderen Worten: Je kleiner der Diffusionskoeffiezient eines Materials für Wärmeenergie ist, desto besser ist dieses Material als Dämmstoff geeignet. In der praktischen Anwendung spricht man jedoch oft nicht vom Diffsionskoeffizienten, sondern benennt ihn oder etwas vergleichbares ein wenig anders.

"Wäremdämmungskennzahlen" verschiedener Materialien

Wärmeleitfähigkeit Lambda (λ)

Die Wärmeleitfähigkeit λ gibt in etwa an, wie viel Energie in einer Sekunde durch eine Schicht von einem Meter Dicke und einer Fläche von einem Quadratmeter bei einer Temperaturdifferenz zwischen den beiden Schichtseiten von 1 °C transportiert wird. Der Wert ist eine stoffspezifische Konstante, d.h. er wird für jeden Bestandteil einer Wand einzeln angegeben. Je kleiner der Wert ist, desto besser ist der Stoff zur Wärmedämmung geeignet. Die folgende Tabelle enthält einige Beispiele, wie sie am 17.03.08 auf Wikipedia zu finden waren:

Wärmeleitfähigkeit λ ausgewählter Stoffe
Stoff λ in W/(m·K)
Stahl (unlegiert) 48 - 58
Edelstahl V2A 15
Beton 2,1
Glas 0,76
Kalkzement Putz 1,0
Ziegelmauerwerk 0,5 - 1,4
Holz 0,13 - 0,18
Porenbeton Mauerwerk 0,08 - 0,25
Glaswolle 0,04 - 0,05
Polystyroldämmstoffe (Styropor) 0.035 - 0,050
Vakuumdämmplatte 0,004 - 0,006
Luft 0,0261

Man sieht, dass beispielsweise durch eine Betonwand mehr als 50 mal so viel Wärme transportiert wird, wie durch eine gleiche Wand aus Porenbeton. Eine Zeigelwand muss beispielsweise etwa 2.8 bis 10,8 mal so dick sein, wie eine Holzwand, um die gleiche Wärmedämmung zu erreichen. Auch die Dämmeigenschaften von Glas sind ziemlich schlecht, insbesondere, wenn man bedenkt, wie dünn Fenster meistens sind. Durch moderne "Mehrfachverglasung" lässt sich dies Problem zwar reduzieren, trotzdem werden wirklich energiesparende Häuser normalerweise keine sehr großen Glasflächen besitzen.

Ein ungedämmtes Ziegel- oder Betonhaus verliert also wahnsinnige Mengen Wärmeenergie an die Umgebung und die Aufbringung einfacher Dämmplatten kann riesige Mengen Heizenergie einsparen. Trotzdem sollte man jetzt nicht einfach Styroporplatten an die Wände kleben. Solche Maßnahmen sollten immer vom Fachbetrieb durchgeführt werden, um den Brandschutz zu gewährleisten und um sicher zu stellen, dass man nicht durch die bessere Wärmedämmung plötzlich massive Probleme mit Schimmelbildung im Innenraum bekommt. Wärmedämmmaßnahmen müssen vernünftig geplant und fachmännisch durchgeführt werden, denn sonst erkauft man die Energieeinsparung u. U. durch eine erhebliche Gesundheitsgefährdung.

U-Wert oder k-Wert

Der U-Wert durde früher als k-Wert bezeichnet und heißt eigentlich Wärmedurchgangskoeffiezient oder auch Wärmedämmwert. Der U-Wert gibt an, wie viel Energie in einer Sekunde durch eine Fläche von einem Quadratmeter eines Bauteils transportiert wird, wenn sich die Temperaturen auf beiden Seiten um 1 °C unterscheiden. Er ist also keine Materialkonstante wie der λ-Wert, sondern wird für jedes Bauteil insgesamt angegeben. Da das Bauteil eine definierte Dicke besitzt, erfolgt die Betrachtung auch nicht bezogen auf eine Schicht von 1 m Dicke. Dadurch ist der U-Wert für Gebäude eigentlich einfacher, denn man kann ihn für ein konkretes Fenster angeben und muss nicht jede einzelne Schicht separat betrachten. Details zur Definition des U-Wertes finden sich bei Wikipedia. Auf dieser Seite findet sich auch eine Tabelle mit U-Werten, die im Folgenden in Auszügen wiedergegeben wird (Werte vom 17.03.2008).

U-Werte einiger Bauteile
Baustoff U-Wert in W/(m2·K)
Betonwand ohne Dämmung (25 cm dick) 3,3
Ziegelwand ohne Dämmung (24 cm dick) ca. 1,5
Ziegelwand ohne Dämmung (36,5 cm dick) 0,8
Außenwand Holzrahmenbau, wohnungstypischer Aufbau 0,15 - 0,20
Außenwand aus Mauerziegeln (36,5 cm) mit
Wärmedämmverbundsystem (PUR) (insgesamt 49 cm dicke)
ca. 0,32
Einfachfenster 5,9
Doppefenster 3,0
Fenster mit Wärmeschutzverglasung ca. 1,1
Fenster im Passivhausstandard 0,8

Durch eine 25 cm dicke, ungedämmte Betonwand entweicht also 10 mal so viel Energie, wie durch eine identische 36,5 cm dicke Ziegelwand mit 13,5 cm PUR Dämmung und sogar ca. 16 mal soviel Energie, wie durch eine typische Holzrahmenbauwand. Durch Einfachfenster entweicht mehr als 7 mal so viel Energie, wie durch die gleichen Fenster im Passivhausstadard. Wer in einenm ungedämmten "Altbau" mit einfach verglasten Fenstern wohnt, wird also gut 8 bis 10 mal so viel Heizenergie benötigen, wie jemand, der in einem vergleichbaren Energiesparhaus lebt - ein Alptraum, finanziell wie ökologisch.