Maximale Effizienz mit höchstem Wärmekomfort Thermische Eigenschaften von Baustoffen

Ein konsequenter Wärmeschutz für Sommer und Winter, als auch eine effiziente und real funktionierende passive Solarnutzung verlangt jedoch schon im Ansatz, das Bauwerk in seiner thermischen Funktion ganzheitlich zu betrachten. Das Ergebnis ist: höchste Effizienz mit maximalem Wärmekomfort für die Bewohner.
Vom Baustoff zum Dämmstoff Die Wärmeleitfähigkeit (auch Wärmeleitzahl genannt) in W/mK ist eine Stoffkonstante, welche den Wärmestrom in W durch 1 m Materialdicke angibt, der von 1 Kelvin gleichbleibender Temperaturdifferenz zwischen den Oberflächen je m² bewirkt wird. Je kleiner dieser Zahlenwert ist, desto besser ist die Dämmeigenschaft. (Materialien mit <0,1 gelten als Wärmedämmstoffe).
Die Wärmeleitzahl wird unter Laborbedingungen ermittelt und ist als sehr theoretischer Wert anzusehen, der sicherlich eine Orientierung zur Planungssicherheit und Nachweisführung gibt, aber unter Praxisbedingungen weit schlechter (z.B. bei zu feuchten Bauteilen) oder auch besser (z.B. solare Energiegewinne) sein können. Allein aus dieser Betrachtung ist ersichtlich, dass die Wärmeleitzahl zwar ein zentraler, sehr wichtiger Kennwert ist, aber beileibe nicht der einzige.


Modellhafter Wandaufbau mit Holzfaserdämmplatten von Gutex.

Wärmedurchlass und Wärmeübergang
Aus der Wärmeleitzahl eines Baustoffes lässt sich im Verhältnis seiner Materialstärke der Wärmedurchlasswiderstand R (in m²K/W) ermitteln, der mit steigender Schichtdicke wächst und somit den Widerstand erhöht.
Je größer der Zahlenwert, umso höher der Widerstand, desto besser die Dämmwirkung. Ein artverwandter Kennwert sind die beiden Wärmeübergangswiderstände R_si für den Innenbereich und Rse für den Außenbereich (in m²K/W). Sie sind der Kehrwert des Wärmeübergangskoeffizienten h, der den Widerstand des Übergangs von der Bauteiloberfläche zu Luft und umgekehrt angibt.

Tabelle 1: Wärmeübergangswiderstände Bauteil-Luft.


Die Rechenwerte werden nach DIN EN ISO 6946 als Konstante angegeben. Diese Konstanten sind in Summe, je nach Aufbau, zur Ermittlung des Wärmedurchgangskoeffizienten U erforderlich. Aus Tabelle 1 ergeben sich folgende Wärmeübergangswiderstände (R_si und R_se): Außenwand 0,17 (0,13 + 0,04); oberste Geschossdecke, Warmdach 0,14 (0,10 + 0,04); Decke über Außenluft 0,21 (0,17+0,04).

Wärmedurchgang und Wärmestromdichte
Der Wärmedurchgangskoeffizient U (in W/m²K) ist der Wärmestrom in Watt durch 1 m² eines Bauteils je Kelvin gleichbleibender Temperaturdifferenz der beidseits angrenzenden Luft. Je kleiner der U-Wert ist, desto geringer sind der Wärmestrom und der daraus resultierende Wärmeverlust durch ein Bauteil. Die Wärmestromdichte q in W/m² gibt den rechnerischen Wärmeverlust je Bauteil in W je m² Bauteilfläche an.

Tabelle 2: Wärmedämmende und wärmespeichernde Baustoffe.


Durch die Wärmestromdichte sämtli-cher Bauteile der thermischen Hülle, können die Transmissions-Wärmeverluste ermittelt werden. Sie sind gemeinsam mit den Lüftungs-Wärmeverlusten die wichtigsten Parameter der Heizlastberechnung bzw. des Heizwärmebedarfs.
Bei einer Raumlufttemperatur von 20°C und einer Außentemperatur von -10°C würde beispielsweise ein Außenwandanteil der thermischen Hülle von 250 m² bei q = 8 W/m² · 250 m² = 2000 W über das Bauteil verlieren. Zuzüglich 30 m² Fensterflächen mit einem U-Wert von 0,9 W/m²K bei gleicher Temperaturdifferenz 810 W. Insgesamt würde also die Fassade unter diesen Bedingungen 2810 W durch Transmission verlieren.
Weitere Wärmeverluste entstehen über die Dachflächen und die erdberührten Flächen, Wärmebrücken und die Lüftungs-Wärmebedarf. Auch letzterer ist  nicht unwesentlich von den im umbauten Raum vorhandenen Baustoffen abhängig.


Je nach Wandaufbau kann auf die tragende Wandkonstruktion eine zusätzliche Dämm-ebene als Hitze- und Kälteschutz aufgebracht werden. Holzfaserdämmplatten werden auf Steinwände mit Klebe- und Spachtelputz geklebt und anschließend verdübelt. Auf Holzkonstruktionen werden die Platten verschraubt oder geklammert. Auf die druckfes-ten Platten wird das Putzsystem bestehend aus Armierung, Voranstrich und Deckputz aufgebracht. In 3-4 Arbeitsschritten entsteht eine hochwertige und stoßfeste Putzfassade, die in verschiedenen Farbtönen angelegt werden kann.

Wärmekapazität und Wärmespeicherbarkeit
Neben den Trennflächentemperaturen zwischen zwei oder mehreren Bauteilen sowie den Oberflächentemperaturen raumumschließender Flächen sind jedoch auch diese Aspekte bezüglich der thermischen Eigenschaften von Baustoffen hinsichtlich der Behaglichkeit des Menschen wohnklimatisch relevant. Denn es sind eben auch jene Trennflächentemperaturen, welche an den Oberflächen von raumumschließenden (Außen-)Wänden wesentlich das thermische Wohlbefinden des Menschen ausmachen. Diesbezüglich lässt sich zusammenfassend sagen, dass die Oberflächen umso höher temperiert sind, desto besser (also niedriger) der U-Wert ist.
Entsprechend den wohnklimatischen Aspekten sind besonders die spezifische Wärmespeicherkapazität und die daraus resultierende Wärmespeicherfähigkeit eines Baustoffes bzw. Bauteils zu erwähnen. Die Spezifische Wärmekapazität cp (in J/kgK) gibt an, wie viel Wärme in J (Joule) je kg Masse bei 1 K Temperaturdifferenz aufgenommen wird. Tabelle 4 zeigt weitere wichtige thermische Eigenschaften und Kennzahlen von verschiedenen Baustoffen.

Tabelle 3: Formel-Auswahl zur thermischen Bewertung von Baustoffen.


Die Wärmespeicherzahl s (in J/m³K) gibt an, welche Wärmemenge in Joule je m³ Material bei einem Kelvin Temperaturunterschied gespeichert werden kann bzw. welche Wärmemenge notwendig ist, um 1 m³ eines Baustoffes um 1 K zu erwärmen. Je schwerer der Baustoff (Rohdichte) ist, desto größer wird die Wärmespeicherzahl. Die Wärmespeicherfähigkeit ermittelt sich ergo aus der spezifischen Wärmespeicherkapazität und der Rohdichte p.

Wohnklimatische Aspekte
Um die tatsächliche Wärmespeicherung von Baustoffen zu ermitteln, ist die Wärmespeicherzahl s mit der Materialstärke eines jeweiligen Baustoffes/Bauteils zu multiplizieren. Daraus resultiert die Wärmespeicherfähigkeit Q_sp in J/m²K bei einer Fläche von 1 m². Je mehr Wärme ein Baustoff thermische Energie aufnehmen bzw. speichern kann, umso träger reagiert er bei Aufheizung und Abkühlung (= Amplitudendämpfung). Hohe Wärmespeicherwerte verhindern ein zu rasches Aufheizen (passive Solarnutzung) oder Abkühlen und ermöglicht einen Absenkbetrieb der Heizungsanlage. Für ein ausgeglichenes Raumklima bzw. eine optimale Speicherung (solarer oder interner) der Wärmeenergie sind vor allem die ersten raumseitigen 8 bis 16 mm eines Bauteils relevant.
Die Wärmemenge Q in kJ gibt an, wie viel Wärme in einem Bauteil bei bekannter Temperaturdifferenz ∆T gespeichert ist. Die errechnete Wärmeenergie ist Grundlage dafür, um die Aufheiz- bzw. Auskühlzeiten für ein Gebäude berechnen bzw. abschätzen zu können. Der Wärmeeindringkoeffizient b in J/m² K s_0,5 ist der Stoffwert für die Eindring- und Ausdring-Geschwindigkeit. Er gibt zahlenmäßig die Empfindung an, die unterschiedliche Materialien bei Berührung trotz gleicher Oberflächentemperatur wärmer oder kälter erscheinen lassen (z.B. fußkalter Steinboden oder fußwarmer Korkboden). Das Material wird umso angenehmer (oberflächenwärmer) empfunden, je kleiner der Wärmeeindringwert b ist. Dementsprechend sind Materialien, die einen guten Wärmedämmwert besitzen solche, die einen niedrigen b-Wert aufweisen.
Die Temperaturleitfähigkeit a in cm²/s ist zusammen mit der Wärmeeindringzahl b entscheidender Kennwert für die Schnelligkeit von Wärmeaufnahme und Verteilung bei Speichervorgängen, z.B. ist a das Maß, wie schnell hohe Außentemperaturen durch Sonneneinstrahlung nach innen eindringen können. Ein Baustoff für die thermische Hülle ist für den sommerlichen Wärmeschutz umso geeigneter, wenn einem guten Dämmvermögen (kleine Wärmeleitzahl ) ein hohes Wärmespeichervermögen (große Wärmespeicherzahl s) gegenübersteht; – wenn er somit eine kleine Temperaturleitzahl hat. Baustoffe mit diesen Eigenschaften sind beispielsweise: Holzspäne, Kork, Kokos, Strohballen, Holzweichfaserplatten, Holzwolle-Leichtbauplatten; Schilfrohr, Zellulose.


Die rasante Entwicklung bei der Minderung der Wärmeleitfähigkeit zeigt das große Potenzial, das z.B. in Poroton-Ziegeln steckt. Unter den sich ständig verschärfenden Wärmeschutzvorschriften können massive Außenwände auch weiterhin ohne künstliche Zusatzdämmung kostengünstig gebaut werden.

Materialauswahl für den Wohnhausbau
Organische Baustoffe wie insbesondere Vollholz, Holzwerkstoffe, Leichtbauplatten, Holzspäne, Holzfaser oder Kork weichen bezüglich der thermischen Eigenschaften von den anderen Baustoffen deutlich ab. Im Vergleich mit anderen Baustoffen ähnlicher oder gleicher Rohdichte p ist die Speicherkapazität s sehr groß und dadurch bedingt die Temperaturleitfähigkeit a sehr klein. Hinsichtlich der thermischen Eigenschaften von Baustoffen sind diese in zwei Gruppen zu unterteilen, die da lauten: Baustoffe für die thermische Hülle sind Materialien mit einer niedrigen Wärmeleitzahl und zugleich einer hohen Wärmespeicherzahl s. Dies sind beispielsweise Holzfaserplatten sowie weitere Holzbaustoffe, Zellulose oder Schilfrohr. Sie erreichen einerseits einen hohen winterlichen Wärmeschutz aufgrund der kleinen Wärmeleitzahl = hohe Wärmedämmung. Andererseits erzielen sie einen sommerlichen Wärmeschutz durch große Pufferung der Wärme im Material und verzögerte Abgabe nach der Durchdringung bzw. Umkehrung des Wärmestroms (Phasenverschiebung) der thermischen Hüllflächen in der Sommerhitze.

Tabelle 4: Thermische Materialkennwerte von Baustoffen (eine Auswahl).


Baustoffe für den Innenbereich sind – nicht zuletzt um solare oder interne Wärmegewinne effektiv zu nutzen bzw. zu „verwalten“ – Materialien mit einer hohen Temperaturleitfähigkeit a, wie beispielsweise Massivlehm, Lehmputz, Sandstein, Kalkputz und Kalksandstein, aber auch Flachs und Hanf und Zellulose, um für ausgeglichene Temperaturverhältnisse zu sorgen: schnelle Aufnahme solarer Gewinne, schnelles Erreichen der Ausgangslufttemperatur nach dem Lüften, geringe Temperaturschwankungen (oder keine) bei Absenkbetrieben. Hinsichtlich der Wärmeeindringzahl, die – wenn sie hoch ist – einen flinken Temperaturausgleich schafft, sind die massiven Bauteile mit entsprechenden Rohdichten vorteilhafter als o.g. organische Baustoffe. Tabelle 3 gibt einen kleinen Überblick über wärmedämmende und wärmespeichernde Baustoffe.

Grundlage umfassender Wohnewärmegestaltung
Die Einbeziehung aller thermischen Eigenschaften von Baustoffen und Baumaterialien ist Grundlage einer umfassenden Wohnwärmegestaltung. Demnach ist im Sinne einer konsequenten Energieeffizienz eine aktive Nacherwärmung durch entsprechende Wärmeübertragungssysteme (im Niedrigtemperaturbereich) lediglich zur Komfort- und Spitzenlastabsicherung notwendig.