Zur Verringerung
solarer Erträge opaker Bauteile infolge WDVS
Opake Bauteile sind nicht lichtdurchlässig, es gibt hier
keine Transmission wie beim Fenster. In Abhängigkeit von der
Oberflächenbeschaffenheit finden nur Absorption/Emission und Reflexion statt.
Die Außenwand vermag Lichtenergie von der Sonne aufzunehmen, das geschieht durch
die Absorption kurzwelliger solarer Strahlung.
Energieaufnahme führt zu Temperaturerhöhung, weil die Wärmemenge nicht so
schnell verteilt werden kann. Es geht ein Wärmestrom in Richtung Wandinneres und
gleichzeitig wird Wärmestrahlung im langwelligen IR-Bereich abgegeben. Nach DIN
V 4108-6:2003-06 [1] nach DIN EN 832 werden die solaren Wärmegewinne wie folgt
berechnet:
QS,op = U ● Aj ●
Re (a
● Is – Ff ● ht
●
Dqer)
● t
Q ist der Wärmestrom mit s für solar und op für opak.
Weiterhin kennen wir den U-Wert der Wand in W/m²K und die Fläche A in m².
Re ist der äußere Wärmedurchlasswiderstand und es gilt Re
= Rse, Rse kennen wir von der Formel für den U-Wert (Rsi,
1/Ri, Rse). t ist die Zeit.
Is
ist die Strahlungsintensität in W/m² und
a
der Absorptionsgrad. F ist ein so genannter Formfaktor, für senkrechte
Bauteile beträgt er 0,5. ht ist der äußere Abstrahlungskoeffizient, er beträgt in erster Näherung 5e.
Dqer ist die mittlere Differenz zwischen der Oberflächentemperatur und der
scheinbaren Temperatur des Himmels, die vereinfachend mit 10 K angenommen
wird.
Welcher Voraussetzungen, um einen möglichst hohen solaren
Ertrag zu erzielen, bedarf es?
-
der U-Wert sollte
möglichst hoch sein, d.h. schlecht im Sinne der EnEV
-
die Wandfläche sollte
möglichst groß sein (solares Bauen = u.a. Südorientierung)
-
der Absorptionsgrad
sollte möglichst hoch sein, er liegt bei Wänden um die 0,9
-
der Emissionsgrad
sollte möglichst klein sein
-
der
Temperaturunterschied zum Himmel sollte möglichst klein sein
-
die
Strahlungsintensität sollte möglichst hoch sein
Der U-Wert
wird beeinflusst, indem man ein Bestandsgebäude mit einem WDVS
(Wärme-Dämm-Verbund-System) versieht. Dadurch wird der U-Wert verbessert,
d.h. kleiner. Nach der U-Wert-Theorie werden somit die
Transmissionsverluste über die Außenwand verringert und es wird dadurch
Heizenergie eingespart.
Folglich reduziert man den solaren Ertrag der Außenwand durch
einen kleinen U-Wert infolge WDVS; siehe Formel oben: kleiner Faktor –
kleines Ergebnis.
Bild 1: Wärmeströme aus solaren Erträgen ohne und mit WDVS
(stationäre U-Wert-Betrachtung)
"Solarabsorption auf Außenwänden und Reduktion der
Transmissionswärmeverluste" lautet der Titel des Berichtes 5/1997 der
Arbeitsgemeinschaft Mauerziegel [2]. Es wurden 13 verschiedene
Außenwandkonstruktionen untersucht. In Abhängigkeit der
Absorptionskoeffizienten der verschiedenen Putzoberflächen wurde ein
Effektiver Wärmedurchgangskoeffizient keff gemessen. Das
Verbesserungsmaß lag in der Größenordnung bis zu 22...26%. Hierbei ging es
um konventionelle Putze und die Effekte wurden rein über den
Absorptionsgrad erzielt.
Bild 2: Prinzipskizze zu den Temperaturverläufen ohne (linke
Spalte) und mit WDVS (rechte Spalte) mit Hinsicht auf die
Außenlufttemperatur (obere Reihe) und mit Hinsicht auf die
Oberflächentemperatur (untere Reihe), innen = je links, außen = je
rechts
links
oben: die Standardsituation im Bestand: eine monolithische Wand
mit U > 1 W/m²K
Außenlufttemperatur im Winter: innen warm und
außen kalt
idealisierte Linie des Temperaturverlaufs
(stationär)
die beiseitigen Putzschichten sind nicht
dargestellt
links unten: die Standardsituation im Bestand: eine monolithische
Wand mit U > 1 W/m²K
Oberflächentemperatur im Winter: innen kalt und
außen warm
idealisierte Linie des Temperaturverlaufs
(stationär)
die beiseitigen Putzschichten sind nicht
dargestellt
rechts oben: die Wand wurde gedämmt (WDVS): U = < 0,35 W/m²K
Außenlufttemperatur im Winter: innen warm und
außen kalt
der Temperaturverlauf wurde verändert, weil der
Wärmestrom verringert wurde
gleichzeitig wurde die Oberfläche außen
thermisch abgekoppelt
rechts unten: die Wand wurde gedämmt (WDVS): U = < 0,35 W/m²K
Oberflächentemperatur im Winter: innen kalt und
außen warm
der Temperaturverlauf wurde verändert, weil der
Wärmestrom verringert wurde
gleichzeitig wurde die Oberfläche außen
thermisch abgekoppelt
Die Grafiken in Bild 2 verdeutlichen, welche Extreme im
Winter herrschen können. Bei als gleich bleibend +20°C angenommener
Innentemperatur wird für außen einmal die Außenlufttemperatur betrachtet,
zum anderen die Wandoberflächentemperatur infolge Sonnenbestrahlung.
Der Wärmestrom verläuft in Richtung des Temperaturgefälles. Bekanntermaßen
ist nach U-Wert-Theorie allein der Temperaturunterschied zwischen innen
und außen maßgeblich. Dabei wird die Raum- und die Außenlufttemperatur
zugrunde gelegt.
Bild 3: Schema zum Verlauf des Wärmestroms
Was aber, wenn die Wandoberflächentemperatur bedeutend höher
ist als die Außentemperatur? Infolge Sonneneinstrahlung ist das im Winter
nicht selten der Fall. Dass dafür nun nicht gerade die Nordwand in Frage
kommt, bleibe dahin gestellt.
Dann ist das Temperaturgefälle von außen nach innen gerichtet. Demzufolge
erfolgt der Wärmestrom von außen nach innen, in Richtung des
Temperaturgefälles. Dadurch wird ein gewisser Betrag an Heizenergie
eingespart, der dem solaren Ertrag entspricht.
Bild 4: schematische Temperaturverläufe nach stationärer
U-Wert-Theorie hinsichtlich Oberflächen- und Außenlufttemperatur bei der
ungedämmten und bei der gedämmten Wand
Die Misere der Erklärungsversuche nach U-Wert-Theorie verdeutlicht Bild 4.
Die linearen Verläufe können nur für den stationären Zustand gelten, der
jedoch in der Praxis äußerst selten bis gar nicht eintritt. Man benötigt
jedoch diesen Betrachtungszustand, um die Wärmeströme über das Abbild der
Temperaturverläufe zu beschreiben.
Dazu werden solche Eigenschaften wie Speichervermögen (spezifische Wärme
mal Volumen bei einer bestimmten Dichte) und Feuchte (signifikante
Beeinflussung der Wärmeleitung) weggelassen. Angesichts dieser
wesentlichen „Vereinfachungen“ wird deutlich, dass diese Theorie lediglich
für Laborzustände taugt. Dass dies so ist, wird in vertrauter Wiederholung
von Wissenschaftlern demonstriert, die im Sold bestimmter Industriekreise
stehen.
Bilder 5 bis 7: Abb. 12, 13 und 18 aus [4]
Die schematischen Darstellungen in den Bildern 5 bis 7 sind eher geeignet,
die instationären Zustände zu erklären, wobei hier insbesondere die
Minderung des solaren Ertrages durch ein WDVS verdeutlicht wird. Hierzu
vergleiche man die grau gezeichneten Flächen. Bei der monolithischen Wand
ist die Fläche bedeutend größer, d.h. der solare Ertrag ist höher als bei
der gedämmten Wand.
Dass das Unterbinden solarer Erträge durch ein an eine ehemals
monolithische Wand angebrachtes WDVS eine Tatsache ist, wird dadurch
erhärtet, dass die Lösung des Problems aus Sicht der Dämmstoffindustrie im
Anbringen einer TWD, einer transparenten Wärmedämmung, besteht. Profan
ausgedrückt, besteht die Technik darin, dass man Stellen im WDVS
freilässt, wo die TWD-Elemente eingesetzt werden. Die TWD lässt die solare
Strahlung durch, die vom Untergrund absorbiert wird und dann von der
massiven speichernden Mauerwerkswand nach innen geleitet wird.
Der Fachverband Transparente Wärmedämmung e.V. mit Mitgliedern aus der
Dämmstoffindustrie beschreibt drei Funktionsweisen der so genannten
Solaren Umweltwand: Die „Umweltwand mit Sonnentank“ (integriert in ein
Fassadendämmsystem schützt sie vor Wärmeverlusten und heizt mit der
Sonne), die „Solare Umweltwand als Tageslichtsystem“ und die „Solare
Umweltwand als Wärmemantel“.
Betrachtet werden soll hier die in ein WDVS integrierte TWD, die so
genannte „Umweltwand mit Sonnentank“, deren Funktionsprinzip durch das
folgende Schema erläutert wird. Dass es sich um sehr teure Konstruktionen
handelt, liegt auf der Hand. Der Laie mag sich daraufhin fragen, warum man
das WDVS nicht gleich weg lässt, um die Solarstrahlung an die Massivwand
heran zu lassen.
Bild 8 (Bildzitat): Prinzipschema zu den 2 TWD-Typen (t = transparent, o =
opak) aus [3]
Die Funktion
der massiven Mauerwerkswand beschreibt die Richtlinie des FV TWD [3] wie folgt (Textzitat): „Zur
Speicherung der solaren Gewinne ist ein massives Wandbauteil raumseitig
zum TWD-Bauteil sinnvoll. Die Wärme muss durch dieses Bauteil nach innen
abgeführt werden, daher ist ein nicht allzu hoher Wärmewiderstand
erwünscht. Auch sollte die Massivwand die Wärme gut speichern. Baustoffe
ab 1200 kg/m3 werden daher empfohlen.“
Damit das System funktioniert, sind folgende Eigenschaften
erwünscht:
1.) der U-Wert der
Massivwand sollte möglichst hoch sein, d.h. schlecht im Sinne der EnEV,
damit die Wärme gut ins Innere geleitet wird
2.) das Speichervermögen der Massivwand sollte möglichst hoch sein
Das Speichervermögen der Massivwand hängt mit der Rohdichte
zusammen, die spezifische Wärmekapazität ist mit 1.000 J/m³K für
mineralische Baustoffe genormt. Das hier vom FV TWD beschriebene
Speichervermögen findet in der Formel zur Berechnung solarer Erträge
opaker Bauteile keine Berücksichtigung.
Literatur:
[1]
DIN V 4108-6:2003-06 "Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden -
Teil 6: Berechnung des Jahresheizwärme- und des Jahresheizenergiebedarfs"
(mit DIN V Berichtigung 1:2004-03 "Berichtigungen zu DIN V
4108-6:2003-06")
[2] AMz-Bericht 5/1997 "Solarabsorption auf Außenwänden und
Reduktion der Transmissionswärmeverluste" der Arbeitsgemeinschaft
Mauerziegel
[3] Richtlinie des Fachverbandes Transparente Wärmedämmung e.V.
"Bestimmung des solaren Energiegewinns durch Massivwände mit transparenter
Wärmedämmung", Ausgabe Juni 2000 (2. Auflage)
[4] Prof. Dr.-Ing. habil. Claus Meier: TU Berlin, Stadt
Nürnberg Dämmen wir uns in die Sackgasse? Wärmeschutz und
Energieeinsparverordnung, Widersprüchliches und Absurdes, Vortrag
anlässlich der Backsteintage 2001, 30./31.01.2001 in
Hildesheim/Westerstede
12.06.2006
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