Absorption und Wärme auf Oberflächen

Gallerie

Außenbauteile und deren Oberflächen sind latent unterschiedlichen umweltbedingten Einflüssen ausgesetzt (z.B. klimatischen Veränderungen im Tages- und Jahresverlauf sowie Erwärmungs- und Abkühlvorgängen durch Temperaturwechsel). Dies führt zu Spannungen aus Längenänderungen in den Bauteilen, was im schlimmsten Fall Schäden verursacht. Die  sich tatsächlich einstellende Oberflächentemperatur wird dabei aus der Summe aller einzelnen Einflüsse gebildet. Dazu zählen:

  • Leitfähigkeit des Materials
  • Temperaturunterschied zwischen der Innen- und Außenseite
  • Albedo (Rückstrahlvermögen) der Oberflächenstruktur
  • Beschaffenheit der Oberfläche, z.B. farbige Beschichtungen
  • Absorptionsvermögen des Materials
  • Windgeschwindigkeit
  • Konvektion
  • Regen
  • Art der Sonnenstrahlung, direkt oder diffus
  • Wärmerückstrahlung des Materials
Die üblichen bauphysikalischen Berechnungen, wie sie z. B. im öffentlich-rechtlichen Nachweisverfahren zum Wärme- und Feuchteschutz notwendig sind, beinhalten derartig detaillierte Nachweise zu den Temperaturen auf den Oberflächen jedoch nicht. Hier findet man nur die Windgeschwindigkeit oder Konvektion wieder, die in Form der Wärmeübergangswiderstände vereinfacht in den Berechnungen genutzt werden. Der Einfluss der Erwärmung der Oberflächen eines Bauteils aus solarer Bestrahlung bleibt dagegen völlig unberücksichtigt. Trotzdem ist es aus bautechnischer Sicht durchaus von Interesse zu ermitteln, welche Oberflächentemperaturen sich auf Bauteilen einstellen und welche Risiken für die Konstruktion aus Längenänderungen resultieren können.

Grundsätzlich gilt, dass alle Körper Strahlung empfangen und abgegeben. Von den Oberflächen der Körper bzw. Baustoffe wird die Strahlung teilweise zurückgeworfen, der nicht reflektierte Teil absorbiert und in Wärme umgewandelt. In Abhängigkeit zur Materialbeschaffenheit des Körpers wird die Wärme als innere Energie gespeichert und weiter in das Bauteil geleitet. Dieser Vorgang führt zu einer materialspezifischen und temperaturabhängigen Längenänderung. Mit der Auswahl des Materials, der Oberflächenbeschaffenheit oder der Farbe kann man diesen Prozess beeinflussen. Deutlich wird der Einfluss der farbigen Beschichtung bei einer sonnenbeschienenen Fläche und den daraus resultierenden Oberflächentemperaturen.

Vergleich der Absorptionsgrade unterschiedlicher üblicher Baustoffe nach Baehr und Stephan (Baehr, H.D.; Stephan, K. ; Wärme- und Stoffübertragung; Auszug Kap. 5.5 Strahlungsaustausch, aus Tab. 5.8,S.633)

Hashem Akbari veröffentlichte eine Übersicht zu verschieden farbigen Musterflächen, von weißem bis schwarzem Lack und unterschiedlichen Materialien, gleichen Aufbaus und gleicher Abmessung, die im Hinblick auf die Auslegung passiver Kühlsysteme im urbanen Raum untersucht wurden. In Abhängigkeit der unterschiedlichen Farben und Absorptionsgrade stellten sich Steigerungen der Oberflächentemperaturen von +10 K bis +49 K ein.

Temperaturerhöhung ausgewählter Baustoffe und Beschichtungen (nach H. Akbari)

Absortionsgrad αs ausgewählter Baustoffe und Beschichtungen (nach H. Akbari)


Akbari H.; Opportunities for saving energy and improving air quality in urban heat islands“ veröffentlicht in „advances in passive cooling“, James and James (Science Publishers) Ltd.; London 2007; S.44

Zur Vorhersage der möglichen Erwärmung von Stoffen, können die Werte des Absorptionsgrades αs für bautypische Materialien genutzt werden. Der Einfluss des Temperaturbereichs auf den Emissionsgrad kann jedoch für eine übliche Nutzung im Baubereich vernachlässigt werden, da nach VDI 3789-2 der betreffende Bereich nur von -30°C bis +100°C reicht. Sollen Bauteiloberflächen eine geringe Temperatur unter solarer Bestrahlung annehmen, muss der Quotient aus Absorptionsgrad und Emissionsgrad (as/ε) klein sein.


Temperaturverlauf der Messungen im Freilandprüfstand am 21.09.2011 in Winningen/Mosel

Untersuchungen der Bergischen Universität Wuppertal an Schieferdächern zeigen deutlich, wie groß der Einfluss der wetterbedingten Einflüsse auf einem Dach sein kann. Aufgrund der Materialeigenschaft des Schiefers erfolgt unter solarer Bestrahlung eine unverzügliche und schnelle Erwärmung der Konstruktion. Das Beispiel der Messungen vom 21.09.2011 zeigt, wie die temperaturmäßig eingeschwungene Dachkonstruktion eine Temperatur besitzt, die der Umgebung entspricht. Mit der beginnenden direkten Bestrahlung steigt die Temperatur auf der Unterseite des Schiefers innerhalb von 8.00 Uhr bis 10.00 Uhr um ca. 12 K, während sich zeitgleich die Umgebungsluft nur um ca. 3 K erwärmt. Zur Mittagszeit erreicht die Schieferfläche dann eine Oberflächentemperatur, die bei ca. 48°C  liegt, und damit 24 K über der Temperatur der Umgebungsluft. Kommt es zu einer Unterbrechung der direkten solaren Bestrahlung durch den Durchzug eines Wolkenfeldes, beginnt unverzüglich der Abkühlungsprozess der Konstruktion, die sich dann der Temperatur der Umgebungsluft annähert.

Mit den Temperaturveränderungen setzen zugleich Änderungen der Länge oder der Raumausdehnung von Baustoffen ein. Bei den meisten Baustoffen oder Bauteilen ist dies hauptsächlich eine längenbezogene Ausdehnung oder Kürzung, was in den Bauteilen zu Zwängung führen kann. Dieser Umstand muss bereits in der Planung berücksichtigt werden und sich in Form von Fugen in den Bauwerken wiederfinden; insbesondere bei metallischen Baustoffen ist dies zu beachten. So gibt die DIN 18339 VOB Vergabe- und Vertragsordnung für Bauleistungen – Teil C für Klempnerarbeiten die maximalen Abstände von Bewegungsausgleichen vor. Gleiche Vorgaben findet man aber ebenso für die Ausführung von Klinker-, gefliesten Fassaden oder Fassaden aus Metalltafeln. Hier müssen entweder Feldbegrenzungsfugen eingeplant werden, um Spannungen aus der Konstruktion auszugleichen, oder die Halterungen von Metalltafeln mit Langlochkonstruktionen nachgewiesen werden, um Längenveränderungen aus thermischen Veränderungen aufzunehmen.

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Wärmebrücken: Planungshinweise

Für die thermische Trennung bietet die Industrie unterschiedliche Einbauteile an, wie z.B. Isolationskörbe für auskragende Betonplatten.

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Wie lassen sich Wärmebrücken vermeiden bzw. deren Einfluss in der energetischen Bilanzierung reduzieren?

Wärmebrückenbilanzierung nach DIN 4108 Beiblatt 2

Neben dem pauschalen Ansatz, Wärmebrücken ohne Nachweis über einen Zuschlag von ∆WB 0,10 W/(m²K) auf die gesamte Hüllfläche zu berücksichtigen, oder einen detaillierten Nachweis mittels Simulationen zu erstellen, besteht nun die Möglichkeit, relativ effizient einen Gleichwertigkeitsnachweis zu führen.

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Das 2019 veröffentlichte Beiblatt ermöglicht einen Gleichwertigkeitsnachweis auf Grundlage von Bildvorlagen aus der Norm. Dazu wurden die Kategorien A und B für Wärmebrücken eingeführt.

Wärmetransportmechanismen

Bei einem Gebäude treten Wärmeströme vom beheizten zum unbeheizten Innenraum bzw. dem Außenraum auf (Abb.: ehem. Zollverein School of Management and Design in Essen, Sanaa, 2006).

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Da Baustoffe luftgefüllte Kammern bzw. Poren besitzen, überlagern sich die unterschiedlichen Wärmetransportmechanismen.

Winterlicher Wärmeschutz: Grundlagen und Ziele

Bei zerklüfteten Bauten steigt neben der Erhöhung der Hüllfläche auch der Einfluss von Wärmebrücken bzw. Durchdringungspunkten an Fassaden und Dächern (Abb.: Bürogebäude am Potsdamer Platz, Berlin).

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Über die Ausrichtung, das Verhältnis der Flächen, den Öffnungsanteil und die Hüllfläche beeinflussen Planerinnen und Planer bereits beim Entwurf eines Gebäudes den Heizenergiebedarf.