Wärme- und Kälteschutz

Unter Wärme- und Kälteschutz im Sinne dieses Buches sind alle konstruktiven Maßnahmen zu verstehen, die im Bauwesen oder in der Industrie die Wärmeabgabe oder -aufnahme von entsprechend zu schützenden Objekten vermindern. Soweit sich klimatisch bedingte Feuchtigkeitseinflüsse auf eine Wärmedämmung auswirken, werden diese ebenfalls im Rahmen des Wärmeschutzes behandelt.

Zwischen zwei Körpern unterschiedlicher Temperatur, die sich entweder berühren oder durch eine Gasschicht, z.B. Luft getrennt sind, findet eine Wärmeübertragung statt, die durch wärmeschutztechnische Maßnahmen nicht verhindert, sondern nur bezüglich der strömenden Menge beeinflußt werden kann. Der Körper mit der höheren Temperatur gibt Wärme an den Körper mit der niedrigeren Temperatur ab, wobei sich die Temperatur des ersten verringert und die des zweiten erhöht, wenn zwischen jedem der beiden Körper und seiner Umgebung keine Wärmeübertragung stattfindet. Nach ausreichend langer Zeit stellt sich ein vollkommener Temperaturausgleich ein. Wird aber den beiden Körpern die je Zeiteinheit verlorene oder gewonnene Wärmemenge wieder zugeführt bzw. entzogen, so bleiben die Temperaturen der beiden Körper zeitlich unverändert oder konstant. Man spricht dann von einem stationären Temperaturzustand und einer zeitlich unveränderlichen Wärmeströmung, im andern Fall von einem instationären Temperaturzustand und dementsprechend einer zeitlich veränderlichen Wärmeströmung. Im folgenden sollen die beiden Körper entsprechend dem allgemeinen Sprachgebrauch als „warm“ und „kalt“ bezeichnet werden, obwohl es sich dabei nicht um physikalische, sondern um physiologische, also dem menschlichen Temperaturempfinden entliehene Begriffe handelt.

Wie unter Abschn. 1.1 ausgeführt wurde, sind die mit dem Wassergehalt der verwendeten Stoffe zusammenhängenden Fragen für die Wärme- und Kälteschutztechnik von nicht geringer Bedeutung. Hierzu zählen die verschiedenen Ursachen und physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Wasseraufnahme dieser Stoffe und ferner die Feuchtigkeitsbildung in Bau- und Dämmkonstruktionen sowie eine eventuelle Verlagerung des Wassers, d.h. die Transportvorgänge von Wasser und Wasserdampf in porösen Körpern. Außerdem kann eine unerwünschte Stoff- oder Luftffeuchtigkeit zu Bauschäden oder gesundheitlichen Beeinträchtigungen von Menschen führen. Dieser Bereich des Wärmeschutzes wird daher als Feuchteschutz, und so weit er im wesentlichen durch klimatische Einflüsse bedingt ist, als klimabedingter Feuchteschutz bezeichnet.

Nachdem in Abschn. 2.2 die physikalischen Grundlagen des Wärmetransports in Bau- und Dämmkonstruktionen sowie des Wärmeübergangs an Körperoberflächen ohne den Ballast von anwendungsbezogenen Gleichungen behandelt wurden, werden im folgenden die für die Praxis benötigten Berechnungsgleichungen mit gegebenenfalls erforderlichen Erläuterungen zusammengestellt. Die Gleichungen für Wärmeströme und die Temperaturverteilung in ebenen Bauteilen sind auch im Teil 5 der DIN 4108 für den Wärmeschutz im Hochbau [1.1] enthalten. Ebenso werden in der VDI-Richtlinie 2055 für den Wärme- und Kälteschutz für betriebs- und haustechnische Anlagen [1.12] viele weitere Berechnungsgleichungen und -hinweise, z.B. für Hohlzylinder und Hohlkugeln, sowie für die Erfassung der Wärmeverluste durch Wärmebrücken u.a. aufgeführt. Teilweise wird daher nur auf VDI 2055 verwiesen, um den Text nicht zu überlasten. Jedoch werden auch einige zusätzliche Berechnungsgleichungen mitgeteilt, z.B. Näherungsgleichungen für Hohlquader und kurze Hohlzylinder. Auf die Berechnung von Wärmetransporten durch komplizierte Formen von Bau- und Dämmkonstruktionen mit Hilfe numerischer Rechenverfahren wird in Kap. 6 kurz eingegangen.

Die physikalichen Ursachen von Feuchtigkeitsbewegungen an oder in Bau- und Dämmkonstruktionen wurden in Abschn. 3.3 beschrieben. Gleichungen zur Berechnung solcher Vorgänge werden im folgenden mitgeteilt, soweit sie für die Wärme- und Kälteschutztechnik von Bedeutung und für den Praktiker leicht anwendbar sind¹.

Die Entwicklung der Computertechnik ermöglicht es, wärme- und feuchteschutztechnische Berechnungen nach Kap. 4 und 5 wesentlich zeitsparender als früher durchzuführen. Viele Gleichungen lassen sich auf einem Personal-Computer oder einem entsprechend gebauten Taschenrechner programmieren und durch Einsetzen der gegebenen Zahlenwerte beispielsweise unter Variierung der Randbedingungen für verschiedene Anwendungsfälle relativ rasch lösen. Auf diese Weise kann z.B. der interessierende Wärmeverlust einer gedämmten Rohrleitung in Abhängigkeit von Dämmschichtdicke und Dämmstoff mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit ohne aufwendige Wiederholungsrechnungen zur Annäherung des temperaturabhängigen äußeren Wärmeübergangskoeffizienten (Iteration) schnell ermittelt werden.

Der Schutz von Gebäuden oder betriebstechnischen Anlagen durch wärmedämmende Schichten ist nicht nur eine Maßnahme zur unmittelbaren Lösung technischer Aufgaben, beispielsweise zur Verringerung der Wärmeabgabe oder -aufnahme oder der Vermeidung einer unzulässigen Temperaturänderung eines Objekts, sondern hat auch Auswirkungen auf unsere Gesellschaft und ihr politisches Handeln [7.1]. Der Wärme- und Kälteschutz hat nämlich Bedeutung

Eine Grenze zwischen Baustoffen, also Materialien, an die im wesentlichen statische Anforderungen gestellt werden, und Wärmedämmstoffen, deren vordringlichste Aufgabe die Minderung von Wärmeströmen ist, läßt sich in wärmeschutztechnischer Hinsicht nicht exakt angeben. Sowohl Bau- als auch Dämmstoffe können mehr oder weniger Eigenschaften der jeweils anderen Stoffart übernehmen. So haben beispielsweise Holz, Poren- und Leichtbetone sowie porosierte Leichtziegel neben statischen auch wichtige wärmedämmende Aufgaben, und einige Dämmstoffe, wie z.B. Korkplatten, Schaumglas und manche Hartschaumstoffe, weisen außer ihren stoffspezifischen Wärmeschutzeigenschaften eine gewisse Festigkeit auf, die genutzt werden kann. Will man eine ungefähre Grenze zwischen den genannten Stoffarten unter wärmeschutztechnischen Gesichtpunkten ziehen, so kann sie in Anlehnung an DIN 4108 T4 bei einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,15 W/(m·K) angenommen werden (vgl. Abb. 8.1). Dieser Wert wird auch hier zur Trennung der Stoffarten verwendet.

Je nach dem in Frage kommenden Anwendungsbereich, besonders bezüglich der Temperaturbeanspruchung, müssen Wärmedämmstoffe, um ihre Funktion erfüllen zu können, einige wichtige Eigenschaften aufweisen. Es werden daher vor allem Anforderungen an die Wärmeleitfähigkeit und die Temperaturbeständigkeit gestellt, gegebenenfalls auch an Festigkeitseigenschaften, z.B. Druck- oder Zugfestigkeit und die Formbeständigkeit, bei Kältedämmstoffen an die Wasserdampfdiffusionsdurchlässigkeit und andere. Nach VDI 2055 [1.12] ist bei Bedarf die Einhaltung der notwendigen Eigenschaften durch entsprechende Gewährleistungen zu abzusichern¹.

Bei den wärmeschutztechnischen Anforderungen an Gebäude ist zu unterscheiden hinsichtlich verschiedener Gesichtspunkte und zwar bezüglich

Unter diesem Begriff versteht man nach Kap. 1 bautechnische Maßnahmen zur Verhinderung von Durchfeuchtungen infolge klimatischer Einwirkungen wie Tauwasserausfall an Oberflächen oder im Innern von Bauteilen sowie durch Schlagregen. Die Gründe hierfür sind

Da die Wärmedämmung der Bauteile für den Wärmeschutz von Gebäuden von entscheidender Bedeutung ist, werden an diese in DIN 4108 T2 entsprechende Anforderungen gestellt (vgl. Abschn. 10.2.1 und 10.3). Im Gegensatz hierzu sind solche für die Wärmekapazität oder Wärmespeicherfähigkeit der Bauteile nicht vorgesehen, weil dieser bei den heute üblichen Zentralheizungen eine geringere Rolle zukommt. Nur bei den Empfehlungen für den sommerlichen Wärmeschutz wird zwischen „leichter und schwerer Innenbauart“ unterschieden (vgl. Abschn. 10.2.2).

Folgende Beanstandungen werden häufig auf Bauwerksmängel bezüglich des Wärme- oder Feuchteschutzes zurückgeführt, die entweder dem Planer oder dem Ausführenden zur Last gelegt werden:

Hausschornsteine nach DIN 18 160 T1 [14.1] müssen durch einen ausreichenden Wärmeschutz gegen Abkühlung geschützt werden, damit keine schädlichen Niederschläge dampfförmiger Abgasbestandteile auftreten können. Der Wärmedurchlaßwiderstand ist so zu bemessen, daß die Temperatur an der inneren Oberfläche unmittelbar unter der Schornsteinmündung mindestens der Wasserdampftaupunkttemperatur des Abgases entspricht. Abgas- und die Innenwandtemperaturen im Schornstein sind nach DIN 4705 T1 [14.2] zu berechnen. Begrifflich gleicht der Wärmedurchlaßwiderstand des Schornsteins demjenigen ebener Wände nach DIN 4108 T2 [1.1]; er wird auf die innere Oberfläche des Schornsteins und auf eine mittlere Temperatur dieser Fläche von 200°C bezogen. DIN 18 160 Tl, 2.87, unterscheidet drei Wärmedurchlaßwiderstandsgruppen, deren Zahlenwerte zwischen 0,65 m²·K/W (Gruppe I) und 0,12 m²·K/W (Mindestwert der Gruppe III) liegen. Beispielsweise muß für Schornsteinabschnitte, die über Dach oder in kalten Räumen liegen, der Wärmedurchlaßwiderstand der Wangen mindestens der Gruppe II entsprechen, wobei der Kleinstwert 0,22 m²·K/W beträgt. Für Stahlschornsteine mit einem Wärmedurchlaßwiderstand < 0,12 m²·K/W, die einer baurechtlichen Genehmigung bedürfen, gilt die Gruppenbezeichnung IV.

Während für den Wärmeschutz von Wohngebäuden selbstverständlich die Mindestanforderungen für den Hochbau nach DIN 4108 [1.1] und die Verordnung für einen energiesparenden Wärmeschutz [4.12] gelten, ist der Wärmeschutz von Stallgebäuden nach den Anforderungen der Tierhaltung zu bemessen. Dabei wird nach „nichtwärmegedämmten“ und „wärmegedämmten“ Ställen unterschieden. Nichtwärmegedämmte Ställe, früher „Kaltställe“ genannt, können offen oder geschlossen sein, dienen nur dem Schutz der Tiere gegen Niederschläge, Sonne und Wind. Es werden daher keine Anforderungen an den Wärmeschutz gestellt. Dagegen sind wärmegedämmte Ställe, auch „Warmställe“ genannt, stets geschlossene Ställe mit raumumschließenden Bauteilen, deren Wärmedämmung das Stallklima wesentlich beeinflussen und die Bauteile vor Oberflächentauwasser aus der Stalluft schützen soll. In der Regel ist die Wärmedämmung so bemessen, daß die tierische Wärmeproduktion allein oder überwiegend allein ausreicht, um den Transmissions- und Lüftungswärmebedarf des Stalles im Winter zu decken. Außerdem sollen günstige Umweltbedingungen für die Tiere, günstige Arbeitsplatzbedingungen für den im Stall tätigen Menschen geschaffen und Bauschäden vermieden werden.

Frostschäden an Straßenbefestigungen können nach [16.1] dann auftreten, wenn folgende Voraussetzungen gegeben sind:

Bei der Planung von wärmeschutztechnischen Anlagen sind stets grundsätzliche Gesichtspunkte im Auge zu behalten (vgl. Kap. 1 und [17.2]), nämlich

Die Wärmeabgabe von ungedämmten Anlagen kann von Interesse sein, wenn

In Abschn. 7.2 wurden die Gesichtpunkte genannt, nach denen Wärme- und Kältedämmungen auszuführen sind, nämlich nach betriebstechnischen und wirtschaftlichen Anforderungen. Auch staatliche Verordnungen, wie z.B. die HeizAnlV [8.34], und Fragen des Brand- oder des Umweltschutzes können von Bedeutung sein. Neben der Wahl des Dämmstoffs ist die Größe der Dämmschichtdicke zu entscheiden. Im allgemeinen wird man sie zunächst nach betriebstechnischen Forderungen ermitteln und dann prüfen, ob eine Optimierungsrechnung nach den Gesetzmäßigkeiten der Wirtschaftlichkeit (vgl. Abschn. 7.2.2 und 19.4) einen größeren Wert ergibt.

Jede Lieferung oder Leistung bei der Errichtung von industriellen Anlagen ist nur dann vollwertig, wenn die Erfüllung der gestellten und vom Lieferer zugesagten Anforderungen durch ausreichende Gewährleistungen gesichert ist. Diese müssen zweckentsprechend und sinnvoll sein, d.h. sie sollen einerseits die geforderten Eigenschaften eindeutig kennzeichnen und andererseits mit genügender Sicherheit angegeben, eingehalten und nachgeprüft werden können. Unrealistische Versprechungen, deren Erfüllung bei dem jeweiligen Stand der Technik oder aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten nicht möglich ist, verwässern den Gewährleistungsbegriff [20.1; 2.42]. Ein ausführendes Unternehmen kann bei der Erstellung einer Anlage verbindliche Zusagen aber nur für Eigenschaften machen, die in seinem Verantwortungsbereich liegen, z.B. für die Güte einer Wärmedämmung. Gegebenenfalls sind von einander getrennte Gewährleistungen von unterschiedlicher Bedeutung erforderlich, beispielsweise, wenn sich mehrere Firmen an der Ausführung beteiligen oder sich nicht ausreichend genau erfaßbare Einflüsse auswirken (vgl. Abschn. 20.2.3).

Die Grundbegriffe der Meßtechnik sind in DIN 1319 T1¹ [21.1] ausführlich behandelt. So unterscheidet die Norm u.a. zwischen der Meßgröße, d.i. die zu bestimmende physikalische Größe, z.B. die Temperatur oder die Wärmeleitfähigkeit, dem (Größen-)Wert der Meßgröße, d.i. das Produkt aus Zahlenwert und Einheit, z.B. 20°C bzw. 0,040 W/(m·K), und dem Meßwert der Meßgröße, der entweder direkt wie die Temperatur oder indirekt über bekannte physikalische Beziehungen wie die Wärmeleitfähigkeit eines Dämmstoffes ermittelt wird. Zum vollständigen Meßergebnis gehören ferner quantitative Angaben zur Genauigkeit der Messung, zu der die Kenntnis der Meßunsicherheit ² erforderlich ist (vgl. nächster Abschn.).

Da die Temperatur eine Größe ist, die den thermisch-energetischen Zustand eines Stoffes oder Stoffsystems kennzeichnet (vgl. Abschn. 2.1), können Temperaturänderungen physikalische Vorgänge hervorrufen, die Meßprinzipien zur Temperaturmessung liefern. Dazu zählen beispielsweise die temperaturbedingte Ausdehnung und Kontraktion von Stoffen bei Flüssigkeits- und Bimetallthermometern, die Thermoelektrizität bei Thermoelementen und die elektrische Widerstandsänderung von Metallen bei Widerstandsthermometern sowie die emittierte Wärme- oder Temperaturstrahlung von Körperoberflächen.

Grundlage für die meßtechnische Bestimmung wärmeschutztechnischer Größen, vor allem der Wärmeleitfähigkeit von Bau- und Wärmedämmstoffen im Laboratorium und im Betrieb, sind die Forschungsergebnisse des Laboratoriums für Technische Physik der Technischen Hochschule München in den Jahren 1909 bis 1914 (vgl. Kap. 1). Die entwickelten Meßverfahren werden im Prinzip heute noch angewandt, sie wurden lediglich entsprechend der Entwicklung der Meßtechnik verbessert und durch einige neuere Meßverfahren ergänzt.

Die Bestimmung des Feuchtegehalts der Luft sowie von Bau- oder Dämmstoffen ist im Rahmen des klimabedingten Feuchteschutzes erforderlich, wenn die Kenntnis solcher Werte bei der Planung oder Mängelbeurteilung von Dämmkonstruktionen von Bedeutung sein kann (vgl. Abschn. 3.2.3 und Kap. 13). Es soll hier nur ein Überblick über die gebräuchlichsten Meßverfahren gegeben und bei Interesse für weitere Möglichkeiten der Feuchtebestimmung auf die Fachliteratur verwiesen werden, z.B. [24.1; 24.2; 24.3].

Außer den bisher besprochenen Meßgrößen sind auch noch andere Eigenschaften von Bau- und Wärmedämmstoffen gegebenenfalls zu prüfen. Einige wichtige Größen werden im folgenden zusammengestellt, wobei auf ihre Bedeutung für die Funktionsfähigkeit einer Wärmedämmung und die sich daraus ergebenden Anforderungen hingewiesen wird. Auf die zutreffenden Prüfverfahren, die lediglich kurz erwähnt werden, näher einzugehen, erübrigt sich, weil sie in Dämmstoffnormen für das Bauwesen, z.B. für Faserdämmstoffe in DIN 18 165 [1.13] oder für Schaumkunststoffe in DIN 18 164 [1.14], und für betriebstechnische Anlagen in VDI 2055 [1.12] sowie in den jeweils zutreffenden AGI-Arbeitsblättern der Q-Reihe ausführlich behandelt werden.