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Inhalt

    Wärme

    Die Bauphysik ist jenes auf naturwissenschaftlichen Grundlagen beruhendes Arbeitsgebiet, dessen einzelne Disziplinen die gemeinsame Aufgabe haben, ein funktionsfähiges, wirtschaftliches Bauwerk zu erstellen und die auf den Baukörper einwirkenden physikalischen Kräfte zu kontrollieren, zu nutzen oder abzuwehren (siehe Band 1: Bauphysik). Im gegenständlichen Kapitel werden die wesentlichen Arbeitsgebiete der Bauphysik, der Wärmeschutz, der Feuchteschutz, der Schallschutz und der Brandschutz, unter spezieller Berücksichtigung des Baustoffs Ziegel diskutiert. Daran anschließend sind im Kapitel 4: Gebäudephysik Inhalte der erweiterten bauphysikalischen Zielsetzungen, die Innenraumbehaglichkeit und die Gebäude-Energieeffizienz, anhand konkreter Gebäudebeispiele enthalten.
     

    Wärme ist jene Energieform, die in der Bauphysik die bei Weitem wesentlichste Rolle spielt. Als Form der Energie ist sie eine extensive Zustandsgröße und gilt für sie ein Erhaltungssatz. Wärmeübertragung findet in der Bauphysik überall, wo Temperaturdifferenzen auftreten, durch Wärmeleitung, durch Konvektion und durch Strahlung sowie in untergeordneter Bedeutung durch Stofftransport statt.

    Wärmeleitfähigkeit

    Die Wärmeleitfähigkeit ist die zentrale physikalische Materialeigenschaft für den Wärmetransport in sowie die Wärmedämmung von Bauteilen.

     

    Wärmeleitfähigkeit

     

    Die Wärmeleitfähigkeit der meisten Baustoffe steigt mit zunehmender Baustofffeuchte, weshalb zwischen der Wärmeleitfähigkeit im trockenen Zustand bei einer Referenztemperatur von 10 °C und der Wärmeleitfähigkeit unter typischen Einsatzbedingungen, für Ziegel definiert mit einer Lufttemperatur von 23 °C und einer Luftfeuchte von 50 %, zu unterscheiden ist. Letztere wird als „Bemessungswert der Wärmeleitfähigkeit“ bezeichnet und ist für alle wärmeschutztechnischen Berechnungen heranzuziehen (ÖNORM EN ISO 10456).

    Zwischen der Wärmeleitfähigkeit im trockenen Zustand und dem Bemessungswert der Wärmeleitfähigkeit gilt für Ziegelmaterial nach ÖNORM EN 1745 der Zusammenhang nach Formel (3-01).

     

    Fomrel (3-01)
    Formel (3-01)

     

    Nachdem Baustoffe aus Ziegel unter den Referenzbedingungen eine Ausgleichsfeuchte von <1 Vol.-% aufweisen, ergibt sich somit der Bemessungswert der Wärmeleitfähigkeit zu etwa dem 1,1-Fachen der Wärmeleitfähigkeit im trockenen Zustand. Sofern im folgenden Wärmeschutzrechenwerte ohne erläuternde Angabe genannt werden, ist darunter stets der Bemessungswert zu verstehen.

    Die Wärmeleitzahl eines homogenen Stoffes ist abhängig von seiner Molekularstruktur und seiner Dichte. Darüber hinaus ist sie im Wesentlichen abhängig vom Anteil der in seinen Poren eingeschlossenen Luft. Abbildung 3-01 zeigt Größenordnungen von Bemessungswerten der Wärmeleitfähigkeit gängiger Baustoffe in Abhängigkeit zu deren Rohdichte (ÖNORM B 8110-7).

     

    Wärmeleitfähigkeit von Baustoffen
    Wärmeleitfähigkeit von Baustoffen

     

    Die Wärmeleitfähigkeit korreliert innerhalb von Baustoffgruppen, so auch bei Ziegeln, direkt proportional mit der Dichte der Baustoffe und liegt mit Rohdichten von 500 bis 1250 kg/m3 bei Wärmeleitfähigkeiten von 0,060 bis 1,00 W/m·K. Bei Ziegeln wird dabei zwischen der NettoRohdichte des Ziegelmaterials und der Brutto-Rohdichte der Ziegelsteine unterschieden. Bei Vollziegeln sind beide Werte ident. Bei Ziegelsteinen mit Lochanteilen differieren die beiden Werte aber erheblich.

    Speziell für Ziegelmauerwerk, als Verbund aus einzelnen Steinen mit Mörtel, ist die Differenzierung der Wärmeleitfähigkeit erstens des Ziegelmaterials (Ziegelscherben), zweitens des Ziegelsteins, drittens des Mörtels und daraus resultierend viertens des Ziegelmauerwerks, relevant. Normgerecht wird diese Unterscheidung durch die Indizes:

    • „mat“ (engl. Material) für das Ziegelmaterial
    • „unit“ (engl. Unit) für den Ziegelstein
    • „mor“ (engl. Mortar) für den Mörtel
    • „mas“ (engl. Masonry) für die Ziegelwand bezeichnet.

     

    Es ergeben sich für die Bemessungswerte der Wärmeleitfähigkeit von Bauteilen aus Ziegel somit die Größen von:

     

    Legende

     

    Wärmeleitfähigkeit des Ziegelmaterials

    Eine Vorstufe des Ziegels sind die Lehmsteine im getrockneten, aber ungebrannten Zustand, die sogenannten Grünlinge. Sie werden von mehreren Herstellern insbesondere als Vollsteine für nichttragende Anwendungen im witterungsgeschützten Bereich angeboten, bisweilen mit Zuschlagstoffen wie Stroh oder Tierhaaren, die insbesondere Zugspannungen aufnehmen sollen. Sehr selten werden reine Lehmsteine für tragende Funktionen eingesetzt. Markante Eigenschaft des ungebrannten Lehms ist seine hohe Feuchtaufnahmekapazität, mit der aber auch eine markante Veränderlichkeit der Wärmeleitfähigkeit besteht.

     

    Wärmeleitfähigkeiten von Ziegelmaterialien
    Wärmeleitfähigkeiten von Ziegelmaterialien

     

    Im gebrannten Zustand weist das klassische Ziegelmaterial Rohdichten rund um 1800 kg/m³ auf, durch die Zugabe von Porosierungsmittel entstehen nach dem Brennen Luftporen im Ziegelscherben, welche die Rohdichte und die Wärmleitfähigkeit herabsetzen. Das Maß der Porosierung ist aus der Verringerung der Netto-Rohdichte gegenüber dem nichtporosierten Ziegelmaterial abzulesen.

    Wärmeleitfähigkeit der Ziegel — Hochlochziegel

    Neben der Porosierung des Ziegelmaterials ist es vor allem die Ausführung der Ziegel als Hochlochziegel, die eine weitere, erhebliche Senkung der Wärmeleitfähigkeit bewirkt. Als Hochlochziegel werden Hohlziegel bezeichnet, deren Hohlräume senkrecht zur Lagerfläche stehen und die einen Lochanteil von über 25 % aufweisen. Je nach Fabrikat kann der Lochanteil Werte über 55 % erreichen.

    Moderne Hochlochziegel erreichen Brutto-Rohdichten von 600 bis 1000 kg/m³. Die Angabe von Bemessungswerten der Wärmeleitfähigkeit für den einzelnen Ziegelmauerstein ist nicht sehr aussagekräftig und wird üblicherweise durch die Angabe des Bemessungswerts der Wärmeleitfähigkeit des Ziegelmauerwerks ersetzt, welcher deutlich mehr praktische Bedeutung hat.

    Als bislang jüngster Schritt zur Senkung der Wärmleitfähigkeit von Ziegeln wurden industrielle Verfahren zur Füllung der Hohlräume mit wärmedämmenden Materialien entwickelt. Als Füllstoffe werden bislang vorgeschnittene Einschüblinge aus Steinwolle oder Verfüllungen mit Perlit eingesetzt.

    Wärmeleitfähigkeit des Ziegelmauerwerks

    Der Bemessungswert der Wärmeleitfähigkeit des Ziegelmauerwerks wird bestimmt von den Bemessungswerten der Wärmeleitfähigkeiten der Ziegelsteine und des Mörtels sowie von der Dicke der Mörtelfugen.
    Sie ist mit der heute normgerechten Bezeichnung von λdesign,mas die wesentliche Kennzahl für Wärmeschutzberechnungen von Ziegelmauerwerk. Bisweilen findet sich in der Fachliteratur auch noch die gleichbedeutende, alte Bezeichnung des Rechenwerts λR.
    Typische Größenordnungen des Bemessungswerts der Wärmeleitfähigkeit von Ziegelmauerwerk reichen von ca. 0,630 W/m·K im Fall von Vollziegeln bis 0,100 W/m·K im Fall von porosierten Hochlochziegeln und derzeit weiter bis 0,064 W/m·K im Fall von porosierten Hochlochziegeln mit integrierter Wärmedämmung.

     

    Wärmeleitfähigkeiten von Ziegelmauerwerk – ÖNORM B 8110-7
    Wärmeleitfähigkeiten von Ziegelmauerwerk – ÖNORM B 8110-7

     

    Wärmedurchgangskoeffizient und Wärmeschutz

    Aufbauend auf der Materialeigenschaft der Wärmeleitfähigkeit bildet die Bauteileigenschaft des Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) die wesentliche Kenngröße für das Wärmeschutzniveau einer Konstruktion.

     

    Tabelle - Wärmedurchgangskoeffizient

     

     

    Der Wärmedurchgangswiderstand eines Bauteiles aus n homogenen, normal in Richtung des Wärmestromes angeordneten Schichten lässt sich als Summe der Einzeldurchlasswiderstände Ri und der Wärmeübergangswiderstände berechnen.

     

    Tabelle - Wärmedurchgangswiderstand

     

     

     Der U-Wert stellt dann wiederum den Kehrwert des Wärmedurchgangswiderstandes dar.

     

    Formel U-Wert

     

     

    Die Wärmeübergangswiderstände an Raumbegrenzungsflächen sind für die Berechnung des Wärmedurchgangs normativ in ÖNORM EN ISO 6946 festgelegt. Für die Berechnung der Oberflächentemperaturen sowie der Kondensat- und Schimmelgefahr gelten davon abweichende Wärmeübergangswiderstände laut ÖNORM EN ISO 13788.

     

    Wärmeübergangswiderstände nach ÖNORM ISO 6946
    Wärmeübergangswiderstände nach ÖNORM ISO 6946

     

    Wärmedurchgangskoeffizient einschaliger Ziegel-Außenwände

    Der Wärmedurchgangskoeffizient einschaliger Ziegel-Außenwände ergibt sich aus dem Bemessungswert der Wärmeleitfähigkeit des Mauerwerks (λdesign,mas), der Dicke des Ziegels, den normgerechten Wärmeübergangswiderständen und gegebenenfalls aus Dicke und Wärmeleitfähigkeit des Putzes.

    Als Ergebnis eines optimierten Porosierungsgrades und Lochbildes erreicht monolithisches Mauerwerk aus 50 cm dicken Ziegelsteinen heute bereits unverputzt U-Werte bis hinunter auf 0,15 W/m2·K, verputzt bis hinunter auf 0,14 W/m2·K. Bei Einsatz von Ziegelsteinen mit integrierter Wärmedämmung kann der U-Wert monolithischen Mauerwerks aus 50 cm dicken Ziegelsteinen bereits unverputzt auf 0,12 W/m2·K gesenkt werden.

     

    Typische U-Werte einschaliger Ziegel-Außenwände
    Typische U-Werte einschaliger Ziegel-Außenwände 

     

    Wärmedurchgangskoeffizient von Ziegel-Außenwänden mit Zusatzdämmung

    Bei der Ausführung von Ziegel-Außenwänden mit Zusatzdämmung wird der Wärmedurchlasswiderstand der gesamten Wand sowohl vom Mauerwerk als auch von der Wärmedämmung aufgebracht. Üblicherweise wird in diesem Anwendungsfall die Ziegeldicke auf das statisch und schallschutztechnisch erforderliche Maß beschränkt. Insbesondere im Objektbau kommen auch hinsichtlich ihres Lochbildes und Porosierungsgrades besonders tragfähige und schalldämmende Ziegel zum Einsatz. Mit der Wahl der Wärmedämmung hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit und Dicke kann der U-Wert in wirtschaftlichen Grenzen beliebig gewählt werden.

    Bewährte Ausführungen sind etwa die Ausbildung von Wänden aus 25 bis 30 cm dicken Hochlochziegeln und 10 bis 24 cm Zusatzdämmung, womit sich etwa bei Wandstärken von ca. 50 cm U-Werte des Mauerwerks bis hinunter auf 0,11 W/m²·K erreichen lassen.

     

    Typische U-Werte von Ziegel-Außenwänden mit Zusatzdämmung
    Typische U-Werte von Ziegel-Außenwänden mit Zusatzdämmung

     

    Wärmedurchgangskoeffizient von zweischaligen Ziegel-Außenwänden

    Als besonders dauerhafte und robuste Lösung werden zweischalige Ziegel-Außenwände mit einer variablen zwischenliegenden Dämmstoffschichte ausgeführt. In Abhängigkeit von der Dämmstoffdicke sind Wärmedurchgangskoeffizienten des Mauerwerks von 0,10 W/m²·K und darunter erreichbar.

    Weitere Vorzüge des zweischaligen Mauerwerks sind gute Voraussetzungen zur Wärmebrückenoptimierung, sehr gute Schalldämmung, hohe Lebensdauer und gute mechanische Beanspruchbarkeit sowie sehr guter sommerlicher Wärmeschutz.

    Gebräuchliche Dicken für die Ziegelinnenwand sind 20 und 25 cm, für die Ziegel-Außenwand 10 und 12 cm. Zweischaliges Mauerwerk ist entsprechend den Herstellerangaben mit Ankern zu verbinden.

    In Abhängigkeit ihrer Anzahl und Beschaffenheit können diese Wärmebrücken darstellen und sind in den Wärmeschutzberechnungen zu berücksichtigen.

    Wärmekapazität und Wärmespeicherung

    Bauteile setzen dem Wärmedurchgang nicht nur die Eigenschaft des Wärmedurchgangswiderstands entgegen, sondern weisen bei zeitlich veränderlichen thermischen Randbedingungen zusätzlich auch die Eigenschaft der Wärmespeicherung auf: Eine Erhöhung der Baustofftemperatur führt zur Aufnahme, eine Verringerung zur Abgabe von Wärme.

    Wesentliche Kennzahl ist dabei neben der Dichte und der Wärmeleitfähigkeit des Baustoffs seine Wärmekapazität. Berechnungsverfahren für die daraus abgeleiteten dynamisch-thermischen Kenngrößen sind in ÖNORM EN ISO 13786 festgelegt.

    Die Effekte der Wärmespeicherung werden im Energieausweis mit der Festlegung der Schwereklasse des Gebäudes überschlägig berücksichtigt. Detailliert werden sie im Nachweisverfahren zur Vermeidung sommerlicher Überwärmung und in dynamischen Gebäudesimulationen berücksichtigt. ÖNORM B 8110-6 und ÖNORM B 8110-3.

    Spezifische Wärmekapazität

    Die spezifische Wärmekapazität ist die zentrale physikalische Materialeigenschaft für die Fähigkeit der zeitlich begrenzten Wärmespeicherung in Bauteilen.

     

    Spezifische Wärmekapazität

     

    Für die baupraktische Anwendung ist die Wärmekapazität, zusammen mit der Dichte und der Wärmeleitfähigkeit eines Materials, die physikalische Grundlage für die Fähigkeit, temporär Wärme aus der Raumluft aufzunehmen bzw. an diese wieder abzugeben und somit zu einer Gleichmäßigkeit des thermischen Raumklimas und zu einer Reduktion von Heizwärme- und Kühlbedarf beizutragen.

    Die spezifische Wärmekapazität von Ziegelmaterial beträgt in Abhängigkeit von seinem Porosierungsgrad 900 bis 10 000 J/kg·K. Der Vorgang der Wärmeeinspeicherung und Wärmeausspeicherung verläuft in der Praxis stets in einer periodischen zeitlichen Abfolge. Typisch und daher von der größten praktischen Relevanz ist die Tagesperiode von 24 Stunden. Neben der Kennzahl der spezifischen Wärmekapazität cp sind daher die folgenden, daraus abgeleiteten dynamischen Kennzahlen von Relevanz.

    Periodische Eindringtiefe

    Die periodische Eindringtiefe ist die Tiefe, bei der sich die Amplitude der Temperaturschwankungen in einem homogenen Baustoff unendlicher Dicke, der sinusförmigen Schwankungen der Oberflächentemperatur ausgesetzt ist, um den Faktor e (= 2,781…) verringert (ÖNORM EN ISO 13786).

     

    Formel Periodische Eindringtiefe
    Formel (3-03)

     

    Bei der charakteristischen Periodendauer von 24 Stunden ergeben sich für massive Baustoffe periodische Eindringtiefen in der Größenordnung von 5 bis 15 cm. Für moderne, wärmedämmende Hochlochziegel mit beispielsweise:
    λdesign,mas = 0,123 W/m·K, mit c = 1000 J/kg·K und mit einer Bruttorohdichte von ρ = 744 kg/m3 ergibt sich die periodische Eindringtiefe zu δ = 7 cm.
    Tiefere Schichten werden im Tagesrhythmus thermisch nicht als Speichermassen wirksam, stehen aber für längerfristige Wärmeeinspeicherung, etwa zur thermischen Pufferung von längerfristigen Hitzeperioden, zur Verfügung. Hochlochziegelmauerwerk erreicht beispielsweise eine periodische Eindringtiefe von 40 cm erst in der Periodendauer von einem Monat.

    Flächenbezogene wirksame Wärmekapazität

    Unter periodisch wechselnden Temperaturrandbedingungen wird nur ein Teil der thermischen Speichermasse einer Baukonstruktion aktiviert, was mit der Kennzahl der wirksamen Wärmespeicherkapazität ausgedrückt wird, die in der einschlägigen Normung stets auf einen Quadratmeter Bauteilfläche bezogen wird. Die Berechnung der flächenbezogenen wirksamen Wärmekapazität erfordert komplexe analytische oder numerische Verfahren. Für Sonderfälle stehen Näherungsformeln zur Verfügung. Normative Verankerung für beides ist die ÖNORM EN ISO 13786.

     

    Formel Flächenbezogene wirksame Wärmekapazität
    Formel (3-04)

     

    Für Mauerwerk aus Hochlochziegeln ergibt sich mit dieser Näherung, abhängig vom Ziegeltyp, in der 24-Studen-Periode ein Wert der flächenbezogenen wirksamen Wärmekapazität von ca. 35 bis 50 kJ/m²·K. Detaillierte Berechnungen unter Berücksichtigung des spezifischen Lochbildes von Ziegelmauerwerk ergeben um etwa 15 % höhere Werte.

    Thermische Prüfverfahren

    Thermografie

    Die Thermografie hat sich als universell einsetzbares Verfahren zur Überprüfung des Wärmeschutzes von Bauteilen, aber auch zur Leckageortung an Baukonstruktionen und auch zur Ortung von Feuchteschäden etabliert. Unter Thermografie wird die Darstellung der Wärmestrahlungsdichte von Oberflächen in einem bildgebenden Verfahren verstanden. Aus der Wärmestrahlungsdichte wird über das Stefan-Boltzmann-Gesetz auf die Temperatur der strahlungsemittierenden Oberfläche geschlossen und diese in Falschfarbendarstellung fotografisch dargestellt.

    Die Stärke und damit das Haupteinsatzgebiet der Thermografie in der Bauphysik besteht in der Ortung von Wärmebrücken, also lokalen Schwachstellen im Wärmeschutz von Hüllbauteilen. Ebenfalls mit Erfolg angewendet wird die Thermografie in Verbindung mit der Luftdichteprüfung zur Visualisierung von lokalen Schwachstellen der Luftdichte der Gebäudehülle. Normativ beschrieben wird die Thermografie in ÖNORM EN 13187 und in ÖNORM EN ISO 6781-3.

     

    Thermografiekameras
    Thermografiekameras

     

    Wärmestromdichtemessung

    Bestimmungen des Wärmedurchlasswiderstandes einzelner Baumaterialien erfolgen im Labor mit Plattenapparaten nach ÖNORM EN 12664. In den Plattengeräten werden die Baustoffproben zwischen Heiz- und Kühlplatten eingespannt und werden mit einer Temperaturdifferenz beaufschlagt.
    Im stationären Zustand wird die Wärmeleitfähigkeit bestimmt aus der zugeführten Leistung, der mittleren Temperaturdifferenz zwischen den Probenoberflächen und den Abmessungen der Proben.

     

    Aufbau von Plattengeräten Laboranwendung Wärmeflussplatten
    Aufbau von Plattengeräten: Laboranwendung - Wärmeflussplatten

     

    Die Methode der Wärmestromdichtemessung kann mit einiger Vorsicht und Erfahrung auch am gebauten Objekt angewandt werden. Zum Einsatz kommen mobile Wärmeflussplatten. Das sind starre oder auch biegsame plattenförmige Sensoren, welche mittels eingebauter, mäanderförmig angeordneter und verschalteter Thermoelemente das Temperaturgefälle zwischen den Plattenoberflächen messen und daraus die Wärmestromdichte durch die Platte errechnen. Die Genauigkeit dieser Messmethode hängt entscheidend von ihren Randbedingungen ab. Anzustreben sind:

    • hohe und zeitlich bereits seit mehreren Stunden weitgehend konstante Temperaturdifferenzen zwischen innen und außen.
    • Abwesenheit starker Sonnenstrahlung oder sonstiger Einflüsse, welche die Oberflächentemperaturen neben dem eigentlichen Transmissionswärmefluss beeinflussen.
    • Bauteilabschnitte, in denen ein weitgehend ungestört linearer Wärmefluss normal zur Bauteiloberfläche erwartet werden kann, also ausreichender Abstand zu Anschlüssen an andere Bauteile anderer thermischer Qualität oder anderer Temperatur.
    • Grundsätzlich erzielen große Messplatten, sofern es die Bauteilgeometrie erlaubt, genauere Messergebnisse. 
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