Bauphysikalische Grundlagen

W-3.2 Thermisches Verhalten von Außenbauteilen

Der Wärmeschutz von Bauteilen beruht auf der Lenkung der einzelnen Wärmeübertragungsvorgänge, die sich auf der Außenseite, auf der Innenoberfläche und im Inneren eines Bauteils abspielen.

Bild W-13:

Schematisierte Darstellung der Wärmeübergangsvorgänge an nichttransparenten (Wand) und transparenten Bauteilen (Fenster)

Bild W-13 vermittelt einen schematischen Überblick über die Vorgänge an nichttransparenten (opaken) und transparenten Bauteilen (Fenstern). Man erkennt, dass außen- und innerseitig mehrere Einflüsse zusammenwirken. Je nach Tages- und Jahreszeit trifft auf das Bauteil → Sonnenstrahlung mit einer bestimmten Intensität auf, die entweder absorbiert oder reflektiert wird. Beim Fenster wird – wegen der Transluzenz des Glases – ein gewisser Strahlungsanteil auch durchgelassen (transmittiert).

Der absorbierte Energieanteil wird teilweise nach außen abgegeben, teilweise nach innen weitergeleitet. Die Abgabe nach außen erfolgt durch Konvektion, weil die Außenluft, insbesondere bei Windanströmung des Gebäudes, die Wärme abführt; ein Teil wird von der Außenoberfläche nach außen abgestrahlt. Der abgestrahlte Anteil ist die Folge der Erwärmung des Bauteil durch die Umsetzung der absorbierten Energie in Wärme. Dadurch wird das Bauteil zum Strahlensender, der – entsprechend seiner Temperatur – im langwelligen Spektralbereich Strahlung emittiert. Dies gilt für Wand und Fenster (vgl. die jeweils schwarzen, nach außen weisenden Pfeile!).

Der Wärmetransport von der Außenseite nach innen erfolgt bei der Wand und beim Fenster auf verschiedene Weise. Infolge der außenseitigen Erwärmung setzt bei der Wand im Wandmaterial eine Wärmeleitung ein. Ein Teil der durchgeleiteten Wärme wird hierbei in der Wand gespeichert und später beim Auskühlen wieder abgegeben. Der Rest der geleiteten Wärmeenergie erreicht die Innenoberfläche. Beim Fenster wird – wegen der Strahlungsdurchlässigkeit des Glases – der nicht absorbierte Energieanteil durch Strahlung praktisch mit Lichtgeschwindigkeit in den Innenraum übertragen (primärer Energietransport). Der absorbierte Teil erwärmt die Glasscheiben und gibt Wärme in Form der langwelligen Strahlung an den Raum ab. Dieser Teil trägt praktisch sekundär zur Energielieferung bei.

Tabelle W-2:

Zusammenstellung des Gesamtenergiedurchlassgrades von Verglasungen und Sonnenschutzvorrichtungen

Glasart bzw. Sonnenschutz	Gesamtenergie- durchlassgrad
Doppelverglasung aus Klarglas Dreifachverglasung aus Klarglas	0,65 - 0,80 0,60 - 0,75
Absorbierende Sonnenschutzgläser Reflektierende Sonnenschutzgläser Absorbierende und reflektierende Sonnenschutzgläser	0,50 - 0,65 0,30 - 0,60 0,30 - 0,55
Klargläser mit innenliegenden Sonnenschutz- vorrichtungen (Lamellenstore, Vorhänge etc.)	0,30 - 0,60
Klargläser mit zwischen den Scheiben liegenden Sonnenschutzvorrichtungen	0,30 - 0,60
Klargläser mit außen nicht in der Fensterebene liegendem Sonnenschutz Klargläser mit außen in der Fensterebene liegendem Sonnenschutz	0,15 - 0,30 0,10 - 0,20

Die primäre und sekundäre Energielieferung werden im Gesamtenergiedurchlassgrad g zusammengefasst, der für verschiedene Glasssorten und Sonnenschutzeinrichtungen in Tabelle W-2 zusammengestellt ist. Das Ausmaß des Solarenergiegewinns durch Fensterfläche wird durch den sogenannten äquivalenten U-Wert des Fensters UW,eq beschrieben. UW,eq berechnet sich aus dem Wärmedurchgangskoeffizienten UW des Fensters (window), der um einen von der Orientierung des Fensters abhängigen Bonus verbessert wird. Er ist proportional zum Gesamtenergiedurchlassgrad der Verglasung, der messtechnisch ermittelt wird. Der Proportionalitätsfaktor S (Strahlungsgewinnkoeffizient) ist orientierungsabhängig. Tabelle W-3 gibt einen Überblick über die UW,eq-Werte von Fenstern unter den in Deutschland herrschenden Klimabedingungen. Man kann auch für verschiedene Glasarten, z.B. Wärmeschutzgläser, den äquivalenten U-Wert leicht ermitteln, wenn der UW-Wert (U-Wert der Verglasung) und der g-Wert bekannt sind. Ein äquivalenter U-Wert von Null lässt sich beispielsweise mit beschichteten Wärmeschutzgläsern erreichen.

Im Innenraum und an der Innenoberfläche wirken die gleichen Wärmeübertragungsmechanismen wie auf der Außenseite. Die innenseitige Wärmeübertragung erfolgt ebenfalls durch Konvektion und langwellige Strahlung, wobei die konvektive Übertragung innen im Allgemeinen schwächer ist als außen; wegen des fehlenden Windes herrschen hier nur relativ schwache Luftbewegungen.

Tabelle W-3:

Äquivalenter Wärmedurchgangskoeffizient (Uw,eq-Wert) von Fenstern unter hiesigen Klimabedingungen

Faustregel (mit Sicherheit)	U<sub><small>W,eq</small></sub> = U<sub><small>W</small></sub> - g x S
Norden	U<sub><small>W,eq</small></sub> = U<sub><small>W</small></sub> - 0,95 x g
Osten, Westen	U<sub><small>W,eq</small></sub> = U<sub><small>W</small></sub> - 1,65 x g
Süden	U<sub><small>W,eq</small></sub> = U<sub><small>W</small></sub> - 2,40 x g

Beispiel:
Südfenster, Doppelscheibe mit Holzrahmen

Fall 1: Klarglas g = 0,8 ; UW = 2,5 W/m2K
UW,eq = 2,5 - 2,4 x 0,8 = 2,5 - 1,9 = 0,6 W/m2K

Fall 2: Sonnenschutzglas g = 0,4 ; UW = 1,6 W/m2K
UW,eq = 1,6 - 2,4 x 0,4 = 1,6 - 1,0 = 0,6 W/m2K

Die Wärmeübertragung erfolgt grundsätzlich in Richtung fallender Temperaturen. An der Innenoberfläche des Fensters herrscht bei Sonneneinstrahlung in der Regel eine höhere Temperatur als im Innenraum; aus diesem Grund weist der schwarze Pfeil im Bild W-13 beim Fenster zum Innenraum hin. An der Innenoberfläche der Wand hingegen kann fallweise eine höhere oder niedrigere Temperatur als im Raum vorhanden sein, je nachdem, wieviel die Wand an Energie speichert oder wie warm z.B. der Raum aufgrund der Sonnenstrahlung durch die Fenster ohnedies geworden ist. Die Pfeile an der Innenoberfläche der Wand können deshalb in beide Richtungen zeigen.

Zu starke Sonneneinstrahlung durch das Fenster hat meist unbehaglich hohe Raumlufttemperaturen zur Folge. Der Temperaturanstieg nimmt, wie Bild W-14 zeigt, ein noch unerträglicheres Ausmaß an, wenn die Rauminnenbauteile in Leichtbauweise ausgeführt sind. Der Temperaturerhöhung kann entgegengewirkt werden, indem die Wärmespeicherfähigkeit der Innenbauteile erhöht wird. Wie es dem Bild W-14 entnommen werden kann, führt die Vergrößerung der Masse von Innenbauteilen im Vergleich zur Leichtbauweise zu einer Reduzierung der Lufttemperatur des Raumes bis zu 12 K, da sie bei Übertemperatur der Raumluft Wärmeenergie entziehen.

Bild W-14:

Lufttemperaturzunahme in Räumen unterschiedlicher Innenbauart bei sommerlicher Sonnenstrahlung. Die gestrichelte Kurve gilt für den Raum leichter Bauart mit funktionsfähigem Sonnenschutz.

Auch die schwere Bauart der Innenbauteile kann nicht die gesamte, dem Raum zugeführte Wärmeenergie speichern, wodurch dann nach längerer Sonneneinstrahlung die Raumluft in manchen Fällen zu hohe Werte annimmt. Daher ist es notwendig, zur Verschattung der Glasflächen Sonnenschutz zu betreiben oder die Wärme durch Lüften aus dem Raum abzuführen. Die Lüftung ist aber nur dann sinnvoll, wenn die Außenlufttemperatur niedriger ist als die Temperatur der Raumluft. Daher kann während heißer Sommertage nur eine Nachtlüftung in Frage kommen. Bauphysikalisch wird der Luftaustausch zwischen dem Raum und der Außenatmosphäre durch die sogenannte Luftwechselzahl n charakterisiert. Tabelle W-4 gibt einen Überblick darüber, welche Luftwechselzahlen bei natürlicher Lüftung mit verschiedenen Stellungen von Fenstern und Fenstertüren erreicht werden können.

Tabelle W-4:

Luftwechselzahlen, die bei natürlicher Lüftung über Fenster erreicht werden können.

Fensterstellung	Luftwechselzahl [h<sup><small>-1</small></sup>]
Fenster zu, Türen zu	0 - 0,5
Fenster gekippt, Rolladen zu	0,3 - 1,5
Fenster gekippt, kein Rolladen	0,8 - 4,0
Fenster halb offen	5 - 10
Fenster ganz offen	9 - 15
Fenster und Fenstertüren ganz offen (gegenüberliegend)	ca. 40

Für Dozent:innen

Für Student:innen

Bauphysikalische Grundlagen

Funktionen

W-3.2 Thermisches Verhalten von Außenbauteilen