Bauphysikalische Grundlagen

W-5.1 Periodische Temperaturschwankungen

Bei starker Sonneneinstrahlung, wie dies z.B. an Sommertagen der Fall ist, ändert sich die Außenlufttemperatur in einem 24-h-Zyklus. Diese sogenannte Wärmewelle dringt durch die Außenteile in die Räume ein und kann dort zu einem unbehaglichen Raumklima führen. Zur Erfassung des Bauteilverhaltens unter Einwirkung von wechselnden sommerlichen Temperaturen sind zahlreiche Kenngrößen abgeleitet worden. Häufig werden in der Praxis das sog. "Temperaturamplitudenverhältnis (TAV)" und die "Phasenverschiebung" verwendet. Bild W-23 veranschaulicht das TAV. Man erkennt, wie sich das Bauteil im Verlaufe einer 24-stündigen Periode erwärmt und abkühlt. Die Schwankungsbreite der außenseitigen Oberflächentemperatur (Amplitude θse,max) ist hierbei größer als die innenseitige Schwankungsbreite θsi,max, da das Bauteil die einwandernde Wärmewelle "dämpft".

Bild W-23:

Schematische Darstellung des Temperaturamplitudenverhältnisses eines Bauteils

Darunter versteht man das Verhältnis zwischen den maximalen Temperaturschwankungen an der inneren und äußeren Oberfläche des Bauteils; damit gilt:

\(TAV=\frac{\theta_{{\rm si{,}max}}}{\theta_{{\rm se{,}max}}}\)

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(W-31)

Beispielsweise sagt ein Verhältniswert TAV = 0,10 aus, dass an der Innenseite eines Bauteils nur 10 % der außen vorhandenen Temperaturschwankung spürbar werden; ein Bauteil mit dem Wert TAV = 0,90 würde hingegen 90 % der äußeren Temperaturschwankung durchdringen lassen, was natürlich einen nur sehr minderwertigen instationären Wärmeschutz ergäbe. Exemplarisch seien hier die Temperaturamplitudenverhältnisse der folgenden drei bauüblichen Konstruktionen angegeben:

36,5 cm Hochlochziegelmauerwerk
(beidseitig verputzt): TAV = 0,04

25 cm Gasbetonwand
(beidseitig beschichtet): TAV = 0,17

7 cm Alu-Paneel
(mit Hartschaumfüllung): TAV = 0,71

Obwohl die letzte Konstruktion wegen der 7 cm dicken Wärmedämmschicht mit ca. 2,0 m2K/W einen hervorragenden Wärmedurchlasswiderstand besitzt und damit einen sehr guten winterlichen (stationären!) Wärmeschutz bietet, lässt es bei sommerlicher (instationärer) Wärmebeanspruchung 70 % der "Wärmewelle" durchlaufen. Das Bauteil verfügt zwar über Wärmedämmfähigkeit, nicht aber über Wärmespeicherfähigkeit, da fast keine Masse vorhanden ist.

Während das TAV die örtliche Dämpfung der Amplituden der Temperaturen durch das Bauteil beschreibt, bezeichnet die Phasenverschiebung die zeitliche Verzögerung der Wellenfortpflanzung im Bauteil.

Bild W-24:

Schematische Darstellung der Phasenverschiebung bei quasi-stationärer Wärmeeinwirkung auf ein Flachdach

Die Phasenverschiebung verdeutlicht Bild W-24 anhand eines Flachdaches, das außen besonnt wird. Man erkennt, dass beim Durchwandern der Wärmewelle von oben nach unten die Temperaturamplitude nicht nur gedämpft, sondern auch zeitlich verschoben wird. Je nach der Masse des Bauteils und nach der Anordnung der einzelnen Schichten des Bauteils ergeben sich in der Praxis Phasenverschiebungen von 10 h und mehr. Allgemein gilt, dass eine große Phasenverschiebung immer mit einer starken Amplitudendämpfung einhergeht.

Unter Einfluss der Sonnenstrahlung zeigt die Außenlufttemperatur einen Tagesgang, der den Verläufen in Bild W-25 entspricht. Das Verhalten von besonnten Außenbauteilen hängt von einer Vielzahl von Parametern, wie z.B. Orientierung, Wandoberfläche und Wanddicke ab.

Bild W-25:

Tagesgang der Außenlufttemperatur unter Einfluss der Sonnenstrahlung

Einfluss der Orientierung

Wie Bild W-26 zeigt, ist die sommerliche Erwärmung von Außenbauteilen stark von ihrer Orientierung abhängig. Das Dach ist demnach am wärmsten, weil es über die ganze Zeit, in der die Sonne scheint, direkter bestrahlt wird. Im Vergleich zur Südwand ist im Sommer die Westwand wärmer, da das nachmittags auftretende Strahlungsmaximum höher ist als das Mittagsangebot, das die Südwand erhält; nachmittags ist zudem meist eine höhere Außenlufttemperatur vorhanden.

Bild W-26:

Tagesgang der Sonnenstrahlungsintensität auf eine horizontale Fläche (Dach) sowie auf vertikale Süd- und Westfassden im Sommer

Einfluss der Wandoberfläche und Wanddicke

Dunkle Oberflächen erwärmen sich stärker als helle (→ Strahlungseigenschaften von Oberflächen). Dies hat für die thermische Beanspruchung von Außenbauteilen auch in den tieferliegenden Bauteilschichten erhebliche Konsequenzen. Bild W-27, in dem die instationären Temperaturverläufe für ein helles und ein dunkles Wandelement einander gegenübergestellt sind, veranschaulicht dies deutlich: Selbst in 5 cm Schichttiefe ist das dunkel gestrichene Element noch wärmer als die Außenschicht des hellen. Man erkennt ferner, wie die Wärmewelle in das Innere des Wandelementes hineinwandert: Die Temperaturspitzen nehmen mit zunehmender Schichttiefe ab (Amplitudendämpfung) und die Maxima treten zu immer späteren Zeitpunkten auf (Phasenverschiebung).

Bild W-27:

Tagesgang der Temperaturen in verschiedenen Schichttiefen einer 25 cm dicken Leichtbeton-Westwand mit heller bzw. dunkler Außenoberfläche

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