Wärme

• Wärmeleitung -> von Teilchen zu Teilchen z.B. Topf auf Herdplatte oder Erhitzen eines Metalls. Findet z.B. auch beim Wärmetransport durch ein Bauteil/ MW statt.

• Konvektion -> Bewegungsvorgänge z.B. von Gasen (Luft erwärmt sich an Heizung und transportiert Wärme in den Raum) oder von Flüssigkeiten

• Wärmestrahlung: elektromagnetische Wellen haben unterschiedlich viel Energie. Es gibt kurzwellige und langwellige Strahlen. UV Strahlen sind bspw. kurzwellig. Infrarotstrahlen langwellig. Infrarotstrahlen können als Wärme wahrgenommen werden. Kurzwellige Strahlen können aber auch durch Absorbtion zu langwelligen Strahlen werden (Treibhauseffekt).

  • Abhängig vom Emissionsgrad, der Fläche des Strahlers und der Temperatur

• Bei einem Gebäude spielt Wärmestrahlung und Konvektion beim Erwärmen der Außenwand die größte Rolle. Durch Wärmeleitung gelangt die Wärme ins Innere des Gebäudes.

• Für die Übergangszone ist vor allem Strahlung und Konvektion von Bedeutung

• Bei der Übergangszone wird zwischen Rsi und Rse unterschieden. Vor allem die Konvektion (Luftbewegung) hat einen großen Einfluss. Wärmestrahlung hat aber auch einen Anteil.

  • Rsi = Übergangswiderstand surface internal

    • Luftbewegung ist gering, daher läuft Wärmeübertraung langsamer ab (freie/ natürliche Konvektion) -> größerer Wärmewiderstandswert von 0,13m²K/W

  • Rse = Übergangswiderstand surface external

    • Luftbewegung ist durch Wind größer, daher geringerer Widerstandswert von 0,04 m²K/W

• Rs wird durch 1/h berechnet. h = hr + hc (Wärmeübergangskoeffizient der Strahlung bzw. der Konvektion)

• Unterscheidung zwischen erzwungener und freier Konvektion:

  • freie/ natürliche Konvektion entsteht durch Temperaturunterschiede z.B. wenn sich ein Raum durch Wärmestrahlung oder Heizung aufheizt

  • erzwungene Konvektion entsteht durch mechanische Einwirkung wie Ventilator, Fön oder Klimaanlage…

• Wenn der Wärmedurchgangswiderstand für die stationäre Wärmeleitung für inhomegene Bauteile ermittelt werden soll.

  • Zusätzlich zum eindimensionalen Wärmestrom für beide Bereiche wird zusätzlich eine isotherme Querleitung mit berücksichtigt

• Nach DIN EN ISO 6946 wird der eindimensionale Wärmestrom (oberer Grenzwert) mit isothermen Schichten senkrecht zum Wärmestrom (max. Querleitung!, unterer Grenzwert) miteinander verrechnet

  • (z.B. Holzständerbauweise mit Dämmstoff zwischen den Ständern oder Betonstütze im Mauerwerk)

• So kann die Temperatur an der Schichtgrenze ermittelt werden

• Kann über numerische Simulation oder über Handrechnung nach Norm ermittelt werden

• DIN 4108-2: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden

  • Teil 2: Mindestanforderungen an den Wärmeschutz

• U bezeichnet den Wärmedurchgangskoeffizient in W/m²*K.

• Kehrwehrt des Wärmedurchgangswiderstands RT

• RT = Rsi + R + Rse

• U = 1/RT = 1/(Rsi + R + Rse)

• R = d/lambda (d in m = Dicke des Bauteils / lambda = Wärmeleitfähigkeit des Bauteils in W/(mK))

• Was mehr Einfluss hat, ist schwer zu sagen und hängt von mehreren Faktoren ab:

  • Größe der Fenster/ Verschattung

  • Wärmedämmung

  • Offene oder geschlossene Fenster

• Luftschichten entsprechen thermischen Widerständen

• Der Wärmedurchlasswiderstand der Luft hängt ab von

  • der Oberflächenbeschaffenheit der Begrenzungsflächen

  • der Dicke der Luftschicht

  • und der Luftbewegung der Luftschicht

    
    

• Konvektion und Strahlung sind die wichtigsten Mechanismen

• Warme Luft steigt nach oben. Daher bewegt sich warme Luft oben mehr und bietet nach DIN EN ISO 6946 weniger Widerstand

Nach GEG wird der Transmissionswärmeverlust H’T und der Jahresprimärenergiebedarf Qp eines Neubaus mit einem Referenzgebäude gleicher Geometrie und gleicher Orientierung verglichen. Den Bauteilen wird dabei ein Referenz U-Wert gegeben. Wärmebrücken werden mit einem Zuschlag berücksichtigt.

Durch spezifische Maßnahmen wie Wärmedämmung, Fensteraustausch, Solarthermieanlagen oder Wärmepumpen können Transmissionswärmeverlust und Jahresprimärenergiebedarf so gesenkt werden, dass der benötigte Referenzwert unterschritten wird.

• Wärmeleitfähigkeit, Dichte, spezifische Wärmekapazität

• Je niedriger der Wert, desto wärmer fühlt sich der Gegenstand bei gleicher Temperatur an (Stahl fühlt sich kälter an (hat hohen Wert) als Holz (niedriger Wert))

• Bestimmt die Kontaktflächentemperatur, wenn zwei unterschiedliche Stoffe sich berühren

• Je geringer der Wärmeeindringungskoeffizient eines Stoffes, desto geringer ist die Wärmeleitung in das Bauteil -> Maß zur Bewertung, wie sich Räume und Oberflächen kurzfristig erwärmen lassen (bei niedrigem Wert sehr schnell)

• = zeitabhängige Wärmeleitung, bei der sich die Temperatur in einem Material sowohl räumlich als auch zeitlich ändert

• Kann mithilfe der Fourier Differentialgleichung beschrieben werden:

• U-Wert beschreibt den stationären Wärmefluss durch ein Bauteil, wenn auf beiden Seiten konstante Temperaturen herrschen. Gibt an, wie viel Wärme zwischen Innen- und Außenseite eines Bauteils fließt.

  • Bewertung der Wärmedämmung von Bauteilen

  • Relevant für Energieeffizienz von Gebäuden

• Der b-Wert beschreibt, den instationären Wärmeeintrag in ein Bauteil -> wie viel Wärme ein Bauteil bei Temperaturschwankung aufnehmen kann.

  • Wärmespeichervermögen und wie ein Material auf Temperaturschwankungen reagiert

• Delta T bezeichnet einen sinusförmigen Verlauf (Tag und Nacht) -> Differenz des oberen und unteren Ausschlags

  • die Formel gilt nur für Sinusförmige Temperaturverläufe, da sie von Fourier-Differenzialgleichung 2. Ordnung kommt und beim Ableiten und Integrieren sin und cos immer wieder kommen

  • Im Abstand von Delta (=Eindringtiefe) beträgt die Temperaturschwankung nur noch 36,8% (1/e^1) von Delta T -> im Abstand von 2 Delta beträgt die Temperaturschwankung nur noch 13,5 % (1/e^2)

• Je nach Material ist Delta unterschiedlich groß. Beton lässt Wärme weiter eindringen als Ziegel oder Kiefer

• Mithilfe des Glaser-Verfahrens

  • -> Wärmestromdichte errechnen (Wärmedurchgangskoeffizient * delta Teta)

  • Bekannte Temperatur minus Widerstand*Wärmestromdichte

• große Steigung innerhalb eines Bauteils, wenn es gut dämmt

• Elektromagnetische Strahlung kann verschiedene Wellenlängen haben

• Je nach Wellenlänge handelt es sich um unterschiedliche Strahlungen wie Röntgenstrahlung, UV-Strahlung, Infrarot, Mikrowellen oder Rundfunkwellen (Wellen werden in Reihenfolge immer größer)

• Sichtbar ist nur ein kleiner Teil der Wellen knapp unterhalb von 1 Mikrometer

• Je Heller die Farbe der Hauswand und je kürzer die Wellenlänge, desto größer ist der Anteil der Reflexion

• Jeder Gegenstand sendet elektromagnetische Strahlung aus

• Wärmebildkameras messen Infrarotstrahlung

• Infrarotstrahlung = Langwelliger als Licht oder UV = Wärmestrahlung

• Infrarot hat Wellenlängen > 780 nm bis 1 mm

• sichtbares Licht und UV Licht hat Wellenlängen < 780 nm

• Je nach Kameraauflösung sollte man ca. 5 bis 30 Meter Abstand zum Gebäude haben. Auch abhängig von der Gebäudegröße.

• Wichtig ist, dass es Temperaturunterschiede von mind. 10°C zwischen außen gibt. Wind, Regen und Sonneneinstrahlung können Messungen verfälschen (am besten am Morgen Bilder machen)

  
  

• Glas absorbiert sehr große Teile von Infrarot und hat nahezu keine Transmission für Infrarot

• Licht und kurzwellige IR Strahlung wird von Glas durchgelassen

• Reflexion von Glas ist aber nicht 0. Daher ist es möglich, dass Teile des Raums reflektiert werden und so auf Wärmebild angezeigt werden.

• Luft hat einen Transmissionsgrad für Infrarotstrahlung von etwa 1 (je nach Wellenlänge?!) und ist daher unproblematisch für die Messung

• Tau = Transmission; Rho = Reflexion; Epsilon = Absorption

• kurzwellige Strahlung kann durch Glasfenster eindringen (Transmission)

• kurzwellige Strahlung wird durch Mobiliar absorbiert und umgewandelt, dadurch Temperaturerhöhung

• Möbel strahlen langwellige Strahlen ab, können aber nicht mehr durch die Glasscheibe, da Transmission durch Glas für langwellige Strahlen etwa 0 ist

• Oberfläche außen ist sehr viel größer als Oberfläche innen -> Großer Verlust von Wärme im inneren Eck -> sehr kalt innen

• Balkonplatte oder Betondecke in Mauerwerk

Das Temperatur-Amplituden-Verhältnis (TAV) gibt an, wie groß der Temperaturunterschied auf der Innenseite des Bauteils im Verhältnis zur Außenseite ist. Je niedriger das TAV, desto weniger Einfluss hat das über das Bauteil übertragene Außenklima auf das Innenklima.

Ein günstiges TAV haben folgende Bauteile:

• schwere Bauteile

• gut gedämmte Bauteile (U < 0,2)

Das Temperatur-Amplituden-Verhältnis ist vor allem bei leichten, nicht so gut gedämmten Bauteilen im Sommer entscheidend. Ein weiterer Faktor ist die zeitliche Verschiebung, mit der das Außenklima auf das Innenklima einwirkt. Dieser Faktor wird Phasenverschiebung (φ) genannt und in Stunden oder Radiant (2 π = 24 Std.) angegeben.

Nimmt man etwa sinusförmige Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht im Sommer von 10 K an, dann gibt das TAV das Verhältnis zwischen der Amplitude der Innentemperatur (Oberflächentemperatur) und der Außentemperatur des Bauteils an.

• R-Wert ist für beide Aufbauten gleich

• Ursache für Phasenverschiebung und Abschwächung: Wärmeleitfähigkeit und Wärmespeichervermögen

• Bei Außendämmung abgeschwächter und größere Verschiebung weil zuerst die Dämmschicht mit geringer Leitfähigkeit durchdringt werden muss und die Wand als Kältespeicher wirkt

  • Bei Innendämmung wird zuerst die Wand aufgewärmt und speichert diese Wärme. Erneutes Aufwärmen benötigt weniger Energie und geht schneller

• Außendämmung ist thermisch günstiger, weil sie Temperaturschwankungen stark dämpft und verzögert

• Innendämmung ist weniger effektiv, da die massive Wand nicht als Kältespeicher (im Sommer) dienen kann und die Innenräume schneller auf die Außentemperaturen reagieren

• Die Wärmeleitfähigkeit (lambda) ist abhängig von der Rohdichte, der Größe und Verteilung der Luftporen und dem Feuchtegehalt

• Einheit: W/(mK)

  • PS Hartschaum Ca. 0,04 W/(mK)

  • Stahlbeton ca. 2,3 W/(mK)

  • Aluminium: 160 W/(mK)

  • Stahl: 50 W/(mK)

  • Wasser: 0,6 W/(mK)

• Folie 64 Wärme

• Sonnenschutzgläser/ Wärmeschutzgläser

• innen oder außenliegende (deutlich effizienter!) Jalousien

• Vordächer & Markisen

• Fassadenfarbe und Fassadenmaterial

2020

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