Wärmetransportmechanismen

Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Konvektion

Die treibende Kraft des Wärmetransportes ist der Temperaturunterschied zwischen zwei Bereichen. Dabei gilt, dass der Wärmestrom immer von der höheren zur niedrigeren Temperatur erfolgt. Bei einem Gebäude treten daher Wärmeströme von einem beheizten zu einem unbeheizten Innenraum bzw. dem Außenraum auf. Der Wärmetransport selbst verläuft auf unterschiedliche Art und Weise.

Gallerie

In einem beheizten Innenraum erfolgt der Wärmeübergang auf das Bauteil durch langwellige Strahlung und die Konvektion der Luft vor dem Bauteil. Im Bauteil selbst, das den beheizten Bereich abschließt, erfolgt eine Wärmeleitung vom höheren zum niedrigeren Temperaturniveau. In homogenen Baustoffen wie einem Stahlprofil findet dies ausschließlich als Wärmeleitung statt. Da Baustoffe jedoch luftgefüllte Kammern bzw. Poren besitzen, überlagern sich die unterschiedlichen Wärmetransportmechanismen. Der Wärmetransport kann sich zusammensetzen aus

  • der Wärmeleitung durch den Feststoff,
  • der Wärmestrahlung innerhalb der Poren,
  • der Wärmeübertragung aus Konvektion in den Gasen der Kammern oder Porenräume.


Abb. 1: Wärmetransportmechanismen in einem porösen Baustoff

Auf der Außenseite der Konstruktion wird der Wärmeübergang dann von der langwelligen Strahlung aus dem Bauteil heraus und der Konvektion des Windes beeinflusst. Zusätzlich führt der kurzwellige Strahlungsanteil des Sonnenlichtes zur Erwärmung der Oberfläche eines Bauteils. In den üblichen bauphysikalischen Berechnungen wird dieser Einfluss jedoch nicht als Wärmegewinn berücksichtigt. Tatsächlich können sich die Oberflächentemperaturen von Außenbauteilen durch die kurzwelligen Sonnenstrahlen deutlich erhöhen. Einen echten Gewinn an Wärme auf der Rauminnenseite lässt sich aufgrund der Temperaturamplitudendämpfung jedoch nicht erzielen.

Wärmeleitung
In massiven Baustoffen erfolgt die Wärmeübertragung unmittelbar zwischen den angrenzenden Molekülen. Maßgebend für den Wärmetransport über Leitung ist die Anzahl der Moleküle bzw. die Rohdichte [kg/m³]. Eine hohe Rohdichte [kg/m³] kann dabei als Merkmal für eine gute Wärmeleitfähigkeit [W/mK] gesehen werden.


Abb. 2: Beispiel der Wärmeleitfähigkeiten einiger üblicher Baustoffe nach DIN EN ISO 10456 bzw. DIN V 4108-4

Wärmestrahlung
Neben der direkten Wärmeleitung durch die molekulare Struktur eines Baustoffes kann es zur Wärmeübertragung aus Strahlung kommen. Dabei gilt, dass jeder Körper elektromagnetische Strahlung imitiert und emittiert. Dabei ist der Temperaturunterschied zwischen den beteiligten Oberflächen von Bedeutung. Die Wärmeübertragung aus Strahlung ist nicht an Materie gebunden und kann auch im Vakuum stattfinden.
In den bauphysikalischen Berechnungen wird die Wärmestrahlung einer Bauteiloberfläche nicht separat bilanziert, sondern als Wärmeübergangswiderstand Rsi und Rse gemeinsam mit der Konvektion vor einem Bauteil bewertet.


Abb. 3: Aufteilung der einwirkenden Gesamtstrahlung auf ein Bauteil in Reflexion, Absorption und Transmission; Quelle: Duzia, T.; Bogusch, N.; Basiswissen Bauphysik, S. 55, Fraunhofer IRB Verlag 3. Auflage 2020

Konvektion
Während die Wärmeleitung in massiven Baustoffen zwischen den benachbarten Molekülen im Feststoff abläuft, ist der Wärmeübergang in Gasen und Flüssigkeiten ein dynamischer Vorgang. Bei der Konvektion kommt es zur Wärmeleitung durch die Fortbewegung der energietragenden Luftmoleküle im Raum. Der Wärmeaustausch zwischen der Luft und dem Baustoff ist dabei abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur der Luft, sowie der Beschaffenheit (Rauigkeit) und Geometrie der Oberfläche. Im Regelfall liegt vor einem Bauteil der Zustand der freien Konvektion vor. In Abhängigkeit zur Strömungsgeschwindigkeit der Luft und der Neigung des Bauteils kann es dabei zu einer anliegenden Grenzschicht der Luft kommen oder zu einer sich ablösenden Grenzschicht der Luft.

Abbildungen 1,2: Thomas Duzia, Wuppertal

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Wärmebrücken und GEG

Wie die Energieeinsparverordnung legt das seit November 2020 gültige Gebäudeenergiegesetz fest, dass der Einfluss konstruktiver Wärmebrücken auf den Jahres-Heizwärmebedarf nach den Regeln der Technik und den im Einzelfall wirtschaftlich vertretbaren Maßnahmen so gering wie möglich gehalten wird.

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Über die Vorgaben des im November 2020 in Kraft getretenen Gebäudeenergiegesetzes in Bezug auf den Einfluss von Wärmebrücken.

Wärmebrücken: Arten

Fassade mit einem gedübelten WDVS: Im Bereich der Dübel kommt es aufgrund der Wärmebrückeneffekte zu höheren Wärmeströmen und damit zur punktuellen Trocknung; den Algen wird die Lebensgrundlage entzogen

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Wärmeverluste im Mauerfuß, an Stürzen und Fenstersimsen

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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.

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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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