Lehrbuch der Bauphysik

Die Gestaltung und der konstruktive Aufbau der Gebäudehülle resultieren aus einer Vielzahl von Einflüssen bzw. Vorgaben wie Standsicherheit, architektonisches Erscheinungsbild oder der Nutzung eines Gebäudes. In den vergangenen Jahrzehnten trat immer mehr die Notwendigkeit der Berücksichtigung klimatischer Verhältnisse in den Vordergrund. Dies zum einen, um Wohnkomfort und Gesundheit, sprich Schaffung guter hygienischer Verhältnisse in Aufenthaltsräumen sicherzustellen; daraus folgten Forderungen nach einem Mindestwärmeschutz. Vor dem Hintergrund der Ölkrisen in den 70er-Jahren des letzten Jahrhunderts traten darüber hinaus der Aspekt der Energieeinsparung und die damit verbundene Anforderung an die bauphysikalische Qualität der Gebäudehülle in den Vordergrund. Mit fortschreitendem Stand der Technik, mit weiterentwickelten Planungsinstrumenten und natürlich auch vor dem Hintergrund steigender Energiepreise wurden Anforderungen an die Gebäudehülle fortgeschrieben. Abb. 1.1 ist zu entnehmen, welche Entwicklung der bauliche Wärmeschutz nach Maßgaben öffentlich-rechtlicher Anforderungen – dargestellt anhand der Bilanzgröße Heizwärmebedarf – bei Neubauten genommen hat bzw. nehmen wird. Die Abnahme der Heizwärmebedarfswerte resultiert aus dem verbesserten Wärmeschutzstandard der Gebäudehülle und der Verbesserung der Gebäudedichtheit, künftig auch aus zunehmendem Einsatz mechanischer Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung.

Mit der Temperatur kennzeichnet man den thermischen Zustand eines Systems. So wird beispielsweise mit der Raumtemperatur der thermische Zustand der Luft in einem Raum bzw. in einem Gebäude angegeben.

Zu einem guten Wärmeschutz gehören nicht nur hochwärmedämmende Bauteile, sondern auch entsprechende Bauteilanschlüsse. Im Bereich dieser Anschlüsse besteht die Gefahr zusätzlicher Wärmeabflüsse und niedriger raumseitiger Bauteiloberflächentemperaturen während der Heizperiode. Zusätzliche Heizenergieverbräuche und die Möglichkeit der Tauwasser- und/oder Schimmelpilzbildung sind die Folge. Dabei ist zu beachten, dass sich dieser Wärmebrückeneffekt bei hochwärmedämmenden Bauteilen wesentlich stärker auswirken kann als bei Bauteilen mit geringem Wärmeschutz; bei innen gedämmten Konstruktionen kann der Wärmebrückeneinfluss bis zu einem Drittel des gesamten Transmissionswärmeverlustes betragen [1].

Die Form der Lüftung hat einen entscheidenden Einfluss sowohl auf das thermische Verhalten von Gebäuden als auch auf die Raumluftqualität. Bei der Mehrzahl der heute existierenden Gebäude erfolgt die Lüftung über Fenster und Türen oder andere Öffnungen in der Gebäudehülle. Man spricht von freier oder natürlicher Lüftung, wenn als Antriebskräfte ausschließlich Temperatur- und Windeinwirkung vorherrschen. Bei der mechanischen Lüftung werden Ventilatoren zur Luftförderung eingesetzt. Man unterscheidet dabei nach Abluftsystemen, Zuluftsystemen und Zu-/Abluftsystemen.

Infolge der auf Außenbauteile auftreffenden Sonneneinstrahlung können die Wärmesenken vermindert oder Wärmequellen erzielt werden. Für das Fensterglas gilt, dass ein Teil der auf das Glas treffenden Strahlung reflektiert wird, ein Teil der Strahlungsenergie wird absorbiert und trägt zur Erwärmung der Glasscheibe bei. Ein weiterer Anteil gelangt auf dem Weg der Transmission, also dem Weg des Strahlungsdurchgangs direkt in den Raum. Für die Anteile

Die Voraussetzungen für den Wärmetransportprozess „stationäre Wärmeleitung“ sind gleichbleibende Temperaturen zu beiden Seiten des Bauteils und die Abwesenheit von Wärmequellen oder -senken innerhalb des Bauteils. Es ist leicht nachvollziehbar, dass bei für ein Bauteil üblichen Randbedingungen diese Voraussetzungen typischerweise nicht gegeben sind. Im Verlaufe des Tages ändern sich die äußeren und inneren Randbedingungen für ein Bauteil sowohl im Winter als auch im Sommer. Abb. 6.1 stellt die Einflussgrößen auf das Wärmeverhalten eines Bauteils schematisch zusammen.

Eine der großen Aufgaben des Umweltschutzes ist die Senkung der Emissionslasten durch rationelle Energieverwendung bei der Gebäudebeheizung. Insbesondere im Gebäudebestand mit oftmals unzureichender wärmeschutztechnischer Qualität sind hierzu große Potenziale vorhanden. Viele bau- und anlagentechnische Problemlösungen stehen dafür zur Verfügung, oft fehlt es jedoch an der klaren Vorstellung, ob sich Maßnahmen auch als wirtschaftlich sinnvoll darstellen lassen. Im Weiteren wird ein Verfahren aufgezeigt, das es ermöglicht, Energieeinsparmaßnahmen im Gebäudebestand einfach zu quantifizieren und zu bewerten [1].

Die wärmeschutztechnischen Vorschriften im Hochbau wurden in den letzten Jahren wegen der ständig wachsenden Bedeutung des Wärmeschutzes immer umfangreicher und anspruchsvoller hinsichtlich des Anforderungsniveaus. Sie lassen sich unterteilen in einen

Der Staat darf durch Vorschriften in das Baugeschehen nur dann eingreifen, wenn eine Gefährdung des Lebens oder der Gesundheit der Menschen oder der Umwelt zu befürchten ist. In den Bauordnungen der Bundesländer wird in diesem Sinne Folgendes gefordert (Auszüge aus BauO NW) [1]:

Luft kann bis zur Sättigung eine begrenzte Menge Wasser in Gasform (Wasserdampf) aufnehmen. Diese Menge ist von der Temperatur θ abhängig, wobei die Aufnahmefähigkeit mit der Temperatur zunimmt (Tab. 10.1). Auch Luft, die kälter als 0 °C ist, kann noch eine entsprechend kleine Menge Wasserdampf enthalten. Ab 100 °C kann der Wasserdampf einen vorgegebenen Raum völlig ausfüllen, so dass dann im Extremfall nur noch Wasserdampf und gar keine Luft mehr vorliegt.

„Diffusion“ ist das Wandern einzelner sehr kleiner Teilchen (Atome, Ionen, kleine Moleküle), verursacht durch die thermische Eigenbeweglichkeit (Brown’sche Molekularbewegung) dieser kleinen Teilchen. Bei makroskopischer Betrachtung herrscht in dem Medium, in welchem Diffusion stattfindet, anscheinend Bewegungslosigkeit. Die diffundierenden Teilchen bewegen sich mit gleicher statistischer Wahrscheinlichkeit in alle Raumrichtungen. Dennoch tritt bei unterschiedlicher Konzentration der diffundierenden Teilchen ein makroskopisch feststellbarer, gerichteter Massenstrom in Richtung geringerer Konzentration auf (Ausgleich von Konzentrationsunterschieden). Das beruht darauf, dass von Stellen größerer Konzentration mehr Teilchen wegdiffundieren als von Stellen kleinerer Konzentration.

Luftbespülten Oberflächen von Bauteilen oder Gewässern haftet eine wenige Millimeter dicke, mehr oder weniger ruhende Luftschicht an, welche Grenzschicht heißt und den Übergang zur Atmosphäre darstellt (Abb. 12.1). Feuchtetransport durch diese Grenzschicht hindurch ist nur möglich nach dem Mechanismus der Wasserdampfdiffusion. Die Massenstromdichte g durch die Grenzschicht hindurch kann berechnet werden, wenn die Wasserdampfpartialdruckdifferenz pO – pL und die effektive Dicke d bekannt sind, weil die Diffusionswiderstandszahl von Luft bekanntlich μ = 1 ist. Es ist jedoch üblich, für den Feuchtetransport durch die Grenzschicht folgenden Ansatz zu wählen:

Es wird angenommen, dass sich ein Schichtenpaket aus planparallel begrenzten Einzelschichten der Dicken di mit den Diffusionswiderstandszahlen μi zusammensetzt. Der Diffusionsstrom durchdringt das Schichtenpaket senkrecht zu den Schichtebenen und es herrschen stationäre Verhältnisse.

Findet in Räumen eine gleichmäßige Wasserdampfproduktion statt und liegt eine gleichmäßige Durchlüftung vor, hat die relative Luftfeuchte der Raumluft einen bestimmten Wert und die dem Wasserdampf zugänglichen Oberflächen der raumbegrenzenden Bauteile und der Raumausstattung haben einen bestimmten und konstanten Wassergehalt. Dessen Größe richtet sich nach der relativen Luftfeuchte der Raumluft, die sich hierbei eingestellt hat und kann nach den Ausführungen in Abschn. 10.1.3 berechnet werden (stationärer Zustand).

Definitionsgemäß ist Schwinden bzw. Quellen von Baustoffen die Volumenänderung oder Längenänderung als Folge von Austrocknung bzw. Wasseraufnahme. Die meisten Baustoffe zeigen ein reversibles Quellen und Schwinden als Folge wechselnder Wassergehalte, manche Baustoffe zusätzlich ein irreversibles Anfangsschwinden, wie frisches Holz oder neue zementgebundene Bauteile, wenn sie erstmalig austrocknen.

Das wärme- und feuchtetechnische Verhalten des Gebäudess und der einzelnen Bauwerksteile wird ganzjährig (in Mitteleuropa während der Heizperiode und in der Jahreszeit mit zweitgehend freier Klimatisierung) vom Außenklima maßgeblich beeinflusst. Die bauklimatisch relevanten Komponenten [1, 2, 3, 4, 5] sind im ersten Abb. 16.1 als Belastung schematisch dargestellt und aufgelistet. Für eine bauphysikalische Gebäude- und Bauteilsimulierung [6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15] ist eine Quantifizierung dieser Außenklimakomponenten erforderlich.

Für die hygrothermische Bemessung der Bauteile und Gebäude sind auch die die raumseitigen Klimakomponenten zu quantifizieren. Neben der Eigensicherung des Gebäude dient das Raumklima auch der Gewährleistung der Funktionssicherung, z. B. der Behaglichkeit in Wohn- und Bürobauten oder der Sonderklimate in Produktionshallen, Museen usw. [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]. Auf Schadstoffe und Verunreinigungen in der Raumluft wird hier nicht eingegangen.

Klimatisierung verlangt eine klimagerechte Gestaltung und Konstruktion des Gebäudes. Freie Klimatisierung, bei der sich das Gebäude selbst (autogen) klimatisiert, beruht ausschließlich auf der bauklimatischen Wirksamkeit des Gebäudes und seiner Elemente: einen hinreichenden Wärmewiderstand der Hüllkonstruktion, eine ausreichende Wärme- und Feuchtespeicherwirkung des Baukörpers sowie eine dem Klima angepasste Lüftung. Bei erzwungener (energogener) Klimatisierung wird das Raumklima durch Aufbereitungsenergie (Heiz- bzw. Kühlenergie) erzwungen. Die Raumlufttemperatur wird dadurch annähernd konstant gehalten; deswegen ist das Zeitverhalten des Baukörpers von geringer Bedeutung. Außer der Dämpfung der Transmissionswärme beim Durchgang durch die Umfassungskonstruktion ist durch die Bauwerksmasse lediglich die Dämpfung der instationären (Strahlungs-)Anteile der Transmissionswärmelast, der Strahlungslast sowie der inneren Wärmelast zu beeinflussen. Deswegen sind es im Wesentlichen nur der Wärmewiderstand der Hüllkonstruktion und – in weit geringerem Maße – die Dämpfung der instationären Lastkomponenten, über die der Baukörper mitwirken kann. Er hilft, den Aufwand für die Heizung und für die Kühlung auf ein vertretbares Maß zu senken und den bauhygienischen Wärmeschutz zu sichern. Im Regelfalle wird in Mitteleuropa das Gebäude aber nur beheizt. Der Wärmewiderstand der Hüllkonstruktion braucht dann nur auf die Heizphase abgestimmt zu sein; das Gebäude muss aber außerdem auch den Forderungen genügen, die sich aus der freien Klimatisierung während der warmen Jahreszeit ergeben, [1]. In einem beheizten Gebäude wird der Wasserdampfgehalt der Raumluft normalerweise nicht geregelt. Der Wasserdampfgehalt stellt sich dann frei ein, während die Raumlufttemperatur durch Zufuhr von Heizenergie konstant gehalten wird. Nur wenn die Funktion des Gebäudes eine konstante Feuchte fordert, wird durch Luftbefeuchtung bzw. -entfeuchtung der vorgegebene Wasserdampfgehalt erzwungen. Dazu werden Klimaanlagen benötigt [2, 3, 4]. Bei freier (autogener) Klimatisierung „folgt“ das Raumklima dem Außenklima. Das Raumklima ändert sich unter dem Einfluss des Außenklimas und der Nutzung ständig. Diese Änderungen werden vom Baukörper mehr oder weniger stark gedämpft. An dieser Dämpfung ist besonders auch die Innenkonstruktion beteiligt. Sie schlägt sich vor allem im Wärmeabsorptionsvermögen (Abschn. 18.2.1 und 18.2.2) nieder. Eine analoge Wirkung der raumseitigen Oberfläche des Gebäudes ergibt sich auch bei der Dämpfung des Wasserdampfgehaltes der Raumluft; diese wird durch das hygrische Absorptionsvermögen (Abschn. 18.3) gekennzeichnet. Wie oben erwähnt, müssen die Gebäude in Mitteleuropas im Winter beheizt werden; während der warmen Jahreszeit reicht in der Regel die freie Klimatisierung aus. Zur freien Klimatisierung genügt es dann, die thermischen Eigenschaften der Gebäude und die Lüftungseinrichtungen so zu bemessen, dass unter extremen sommerlichen Witterungsbedingungen eine als zulässig erachtete Raumlufttemperatur (Abschn. 17.1 ) nicht überschritten wird.

Was versteht man unter Klima? Der Begriff des „Klimas“ kann durchaus unterschiedliche Bedeutungen in sich tragen, wie beispielsweise das soziale, das meteorologische oder das geographische Klima, wobei im Zusammenhang mit Architektur und Baukonstruktionen jedoch letztere üblicherweise gemeint sein wird.

Mit Schall bezeichnet man mechanische Schwingungen in einem elastischen Medium. Während in Fluiden nur Druckwellen, auch Longitudinalwellen genannt, möglich sind, gibt es in Festkörpern auch diverse andere Wellenformen wie beispielsweise Biegewellen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeiten sind abhängig vom Wellentyp und dem Medium. In Fluiden treten nur Longitudinalwellen mit einer frequenzunabhängigen Ausbreitungsgeschwindigkeit auf.

Sabine erforschte empirisch den Zusammenhang zwischen Volumen, schallabsorbierenden Flächen und dem Nachhall im Raum. Zur Quantifizierung des Nachhalls legte er die Zeitspanne fest, in der die Schallenergie im Raum nach Abschalten einer Schallquelle auf den millionsten Teil seines Anfangswertes abklingt. Dies entspricht einem Pegelabfall von 60 dB.

Die Schalldämmung, also die Transmission des Schalls durch Trennbauteile, wird durch den Transmissionsgrad τ beschrieben, der das Verhältnis der vom Bauteil abgestrahlten Schallleistung P2 zur auftreffenden Schallleistung P1 auf das Bauteil angibt. Die Trennbauteile werden durch Luftschall zu Schwingungen angeregt, der sich dann als Körperschall ausbreitet und als Luftschall wieder abgestrahlt wird.

Durch den Betrieb von Maschinen und Aggregaten innerhalb eines Gebäudes werden am Aufstellort Schwingungen in den Baukörper eingeleitet und von dort als Körperschall weitergeleitet, was in anderen Gebäudeteilen zu störenden Vibrationen oder Luftschallemissionen führt. Besondere Bedeutung kommt bei Maschinen mit drehenden Anlagenteilen der Drehzahl zu, die direkt in die Betriebsfrequenz f umgerechnet werden kann. Neben der periodischen Anregung mit einer diskreten Frequenz ist aber auch die impulsartige Körperschallanregung mit einem breiten Frequenzspektrum denkbar.

Das Teilgebiet Schallimmissionsschutz beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten der Entstehung, der Ausbreitung und des Empfangs von Schall im Freien. In Deutschland existieren zahlreiche Rechtsvorschriften und Regelwerke zu dieser Thematik, die im Rahmen eines Lehrbuchs für Bauphysik nur angerissen und kurz vorgestellt werden können. Die rechtlichen Vorgaben führen beispielsweise dazu, dass eine teilweise für Laien nicht nachvollziehbare Unterscheidung verschiedener Lärmarten durchgeführt wird. Beispielhaft sei auf die Unterscheidung zwischen Gewerbelärm, Verkehrslärm oder auch Freizeitlärm hingewiesen, die für viele Lärmbetroffene nur schwer verständlich ist. Bevor die rechtlichen Rahmenbedingungen sowie die maßgeblichen Regelwerke für den Schallimmissionsschutz vorgestellt werden, sollen zunächst die prinzipiellen Einflussgrößen oder auch physikalischen Grundlagen bei der Schallausbreitung im Freien aufgeführt werden.

Die Beleuchtung von Räumen für uns Menschen ist eine physiologische Notwendigkeit, welche am Tage am besten mit dem Licht der Sonne erreicht wird, nachts mit künstlichen Lichtquellen. Eine Grundbeleuchtung mit Tageslicht wäre schon durch eine Öffnung in einer Behausung gegeben, die Grundbeleuchtung nachts mit einem Feuer. Bereits an diesen einfachen Beispielen wird der Zusammenhang von Beleuchtung mit klimatischen und energetischen Aspekten deutlich. Die Öffnung muss vor der Witterung und im Winter vor Wärmeverlust geschützt sein, das Feuer gibt nicht nur Licht, sondern auch Wärme ab, zudem muss der Rauch abziehen und frische Luft nachströmen können. Die Sonne spendet am Tage nicht nur Licht, sondern auch Sonnenwärme, beides schwankt jedoch extrem, je nach Größe, Position, Orientierung und Verbauung der Öffnung sowie Witterung, Tages- und Jahreszeit, geographischer Lage und Klimazone.

Licht ist elektromagnetische Strahlung, die mit der spektralen Helligkeitsempfindlichkeit des menschlichen Auges gewichtet ist (s. Abb. 26.5). Die Kurve zeigt, dass sie vom Maximum aus sowohl gegen 380 nm als auch gegen 780 nm bereits asymptotisch gegen Null geht. Die Einbettung in das elektromagnetische Frequenzspektrum zeigt die Tab. 26.1.

Bei der Planung von Gebäuden mit Tagesbeleuchtung geht es immer um zwei Schwerpunkte: Die Beleuchtungssituation bei bedecktem Himmel und die bei Besonnung. Entsprechend unterschiedlich sind auch die zugehörigen Planungswerkzeuge und Berechnungsmethoden.

Künstliches Licht ist rein sprachlich der Gegenpart zu natürlichem Licht, als welches gemeinhin das Tageslicht bezeichnet wird. Es ist also das Licht, welches wir zunächst zum Sehen in der Nacht erzeugen, einschl. Feuer, Kerzen etc., dem auch ,natürliche‘ Prozesse im Sinne von physikalischen zugrunde liegen.

Gemessen wird immer der Photostrom einer Diode, welcher verstärkt und ggf. mittels A/D-Wandler digitalisiert wird.

Die Begriffe Steuerung und Regelung werden oft miteinander verwechselt. Werden beispielsweise nach einem fest in ein Steuerungselement eingegebenen Zeitplan Einstellungen des Kunstlichts oder von Licht- und Sonnenschutzanlagen vorgegeben, handelt es sich um eine Steuerung.

Wohl von Anbeginn war die Menschheit fasziniert von der Naturerscheinung Feuer. Sie lernte es schätzen, nutzen, fürchten, und sie versuchte, sich vor ihm zu schützen. Trotzdem weisen Brandschadenstatistiken noch immer steigende Tendenz auf, und schon deshalb ist eine bessere Kenntnis der Brandschutzmöglichkeiten bei allen am Bau Beteiligten wünschenswert.

In der Bundesrepublik Deutschland liegt die Regelung des vorbeugenden baulichen Brandschutzes in der Hoheit der Länder, die sich in Zusammenarbeit mit dem Bund darum bemühen, in Musterentwürfen möglichst einheitliche Anforderungen zu formulieren.

Grundsätzlich sind vier Bedingungen für die Entstehung eines Brandes zu erfüllen. Es muss ein brennbarer Stoff vorhanden sein, eine ausreichende Menge Sauerstoff und eine ausreichend hohe Zündenergie bzw. Zündtemperatur. Liegt ein ausreichendes Mischungsverhältnis vor, kommt es zur Entzündung und ein Übergang zum offenen Brand ist wahrscheinlich.

Die Kennwerte für das mechanische und thermische Verhalten der Baustoffe sind temperaturabhängig. Das gilt in besonderem Maße für die mechanischen Eigenschaften, aber auch die Veränderung der thermischen Eigenschaften muss berücksichtigt werden.

Das Brandverhalten von Bauteilen ist abhängig von:

Durch eine Reihe von Maßnahmen, die den vorbeugenden baulichen Brandschutz, der durch feuerwiderstandsfähige Ausbildung der Bauteile gewährleistet wird, ergänzen, kann der Entstehung und vor allem der Ausbreitung von Schadenfeuern wirksam begegnet werden.

Als Brandnebenwirkung werden neben der Wirkung von Temperaturen und Wärmeströmen, die Wirkung von Rauch und Gasen bezeichnet, die bei der Verbrennung von Brandgut entstehen. Diese können mit unterschiedlicher Konsequenz entscheiden Einfluss auf die Bauteile im Gebäude aber auch auf Personen haben, die sich im Brandfall noch im Gebäude befinden.

Mathematische Brandmodelle gewinnen im Rahmen von Ingenieurmethoden eine wachsende Aufmerksamkeit. Grundsätzlich lassen sich drei Gruppen von mathematischen Brandsimulationsmodellen unterscheiden: