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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.

I
s 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?

  1. der U-Wert sollte möglichst hoch sein, d.h. schlecht im Sinne der EnEV
  2. die Wandfläche sollte möglichst groß sein (solares Bauen = u.a. Südorientierung)
  3. der Absorptionsgrad sollte möglichst hoch sein, er liegt bei Wänden um die 0,9
  4. der Emissionsgrad sollte möglichst klein sein
  5. der Temperaturunterschied zum Himmel sollte möglichst klein sein
  6. 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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