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(aktualisiert aus Erstveröffentlichung in [AkkP 18]; Autor Dr. Wolfgang Feist, 1999)
Die Wärmedämmung von energiesparenden Gebäuden soll „lückenlos“ sein. Wie streng ist diese Lückenlosigkeit zu verstehen? Die Anforderungen müssen in dieser Beziehung präzisiert werden. Zunächst brauchen wir begriffliche Klarheit zur Frage der ‚Art der Lücke‘; wir unterscheiden drei Kategorien von ‚Löchern‘ in der Wärmedämmung (Abb. 2):
I Hohlräume in Dämmungen (geschlossen); Definition: Hohlräume sind luftdicht und winddicht, allein der Dämmstoff fehlt im Hohlraum.
II Dämmlücken (einseitig offen, aber auf einer Seite luftdicht); Definition: Dämmlücken sind immer noch einseitig luftdicht - aber auf der anderen Seite der jeweiligen Luftströmung ausgesetzt, also nicht winddicht.
III Fugen (beidseitig offen, nicht luftdicht); Fugen sind noch nicht einmal luftdicht; die Auswirkungen betreffen dann auch das Gesamtgebäude (vgl. die Kapitel zu https: „Luftdichtheit“. Solche Undichtheiten bergen die Gefahr von Bauschäden und sie sind daher unbedingt zu vermeiden.).
Abb. 3 zeigt den Einfluss, den ein geschlossener Hohlraum in einer Wärmedämmung der Dicke 300 mm haben kann, wenn der Hohlraum von der Innenseite bis zur Außenseite der Dämmung reicht, aber innen luftdicht abgeschlossen und außen gegen den Windangriff geschützt ist (winddicht).
Beim Zusammenstellen dieser Daten war das PHI überrascht, wie groß die Abweichungen bei der Einschätzung der Auswirkung des Hohlraumes bei verschiedenen Autoren und nach verschiedenen Methoden sind. Für den Praktiker ist das zunächst aus Abb. 3 erkennbare Ergebnis unbefriedigend: Je nach Abschätzmethode beträgt der zusätzliche Wärmeverlust eines rechteckigen 10 mm Hohlraums innerhalb 1 m² Wandfläche:
Um den Dingen auf den Grund zu gehen, hat das PHI eine Berechnung der Wärmetransportvorgänge in einem solchen Hohlraum mit „first principles“, also nach den grundlegenden physikalischen Vorgängen in einer solchen Situation beim „Ingenieurbüro für Thermische Berechnungen GbR; Heidemann, Mandel & Rebholz (ITB)“ beauftragt. Bei der vorgelegten Untersuchung wurde:
Abb. 4 zeigt zur Illustration einige Ergebnisse, die dem Gutachten von ITB entnommen wurden. Die Ergebnisse der für den Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser durchgeführten Untersuchung sind glücklicherweise beruhigend:
Damit wird der zusätzliche Wärmeverlust bei den „engen Hohlräumen“ bis 5 mm ziemlich gut durch die einfachen (optimistischen) Abschätzungen wiedergegeben, während die CEN-Methode hier sehr viel höhere Verluste angibt. Nach Einsetzen einer nicht vernachlässigbaren Konvektion (b größer 10 mm) stellen sich jedoch die höheren Verluste gemäß CEN inclusive der Wärmebrückeneffekte ein. Die Zusatzverluste der hier vorliegenden Situation werden jedoch durch die angeblich „exaktere Kalkulation“ mit Hilfe des Moduls RadCon dennoch extrem überbewertet. Diese Überbewertung hat folgende Ursachen:
Als Konsequenz bleibt hier festzuhalten, dass bei quaderförmigen Hohlräumen mit einer kleinen Ausdehnung orthogonal zum Wärmestrom die Näherung mit RadCon stark überhöhte Ergebnisse und die Näherung nach CEN immer noch zu hohe Wärmeverluste liefert. Das PHI schlägt daher eine Näherungsmethode vor, bei welcher ein äquivalenter λ-Wert analog zu der Methode nach CEN, jedoch bei Hohlräumen mit einer Ausdehnung kleiner als 10 mm nur mit der langwelligen Strahlung und mit Wärmeleitung im Füllgas abgeschätzt wird. Die Ergebnisse sind in Abb. 3 bereits mit dargestellt: Die Stützpunkte der mit den „First Principles“-Methoden gewonnenen Ergebnisse sind als große rote Dreieck-Symbole eingezeichnet. Die dick durchgezogene Linie mit den großen Kreissymbolen gibt die vom PHI empfohlene Näherungsrechnung mit einem effektivem λ-Wert analog zu CEN, jedoch ohne Konvektion unterhalb von b=10 mm wieder. Diese liegt immer noch eher auf der sicheren Seite (den Wärmeverlust ein wenig überschätzend). Welche Konsequenzen ergeben sich aus diesen Ergebnissen für die bauliche Praxis von wärmegedämmten Konstruktionen? Wir fassen den Rat für die Praxis wie folgt zusammen:
Die Auswirkung von Fehlstellen in der Wärmedämmung, die nicht nach außen winddicht sind, können um ein Vielfaches bedeutender als die in I behandelten geschlossenen Hohlräume sein. Da die offene Lücke langwellig direkt den Himmel und die Umgebung sieht, ist schon allein der Strahlungstransport erhöht. Jedoch kann auch die tangentiale Komponente der äußeren Luftströmung in eine solche Lücke eingreifen. Allein die freie Konvektion erlaubt hier bereits hohe Strömungsgeschwindigkeiten, weil das System nach außen offen ist. Es kann also von unten kalte Luft nachströmen, während oben Warmluft entweicht. Abb. 7 zeigt Berechnungen, die den Wärmeverlust außen offener Lücken, die jedoch noch immer nach innen luftdicht sind, abschätzen.
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a) Lösung 1 (links): Ausstopfen mit Faserdämmstoff (Werkzeug: Spachtel). Bem. 2022: Inzwischen hat sich hier die Verwendung von Faserdämmstoff aus Hanf gut bewährt; dafür ist als Werkzeug ein Kunststoffspachtel geeignet. | b) Lösung 2 (rechts): Ausschäumen mit FCKW/HFKW-freiem Polyurethanschaum 1) |
Abb. 6: Hohlräume im WDVS Passivhaus Kranichstein; Spalte > 5 mm müssen mit Dämmstoff ausgefüllt werden, dazu gibt es bewährte Methoden. |
Die zusätzlichen Wärmeverluste solcher nach außen offener Dämmlücken sind gewaltig. Schon bei einem 10 mm Spalt, der auf 1 m Länge innerhalb eines Quadratmeters vorkommt, beträgt der zusätzliche Wärmebrückenverlustkoeffizient etwa Ψ=0,32 W/(mK). Die Dämmwirkung der eigentlich 300 mm starken Wärmedämmung ist so stark verringert, als ob nur 90 mm Dämmstoff angebracht worden wären. Die Konsequenz dieser Erkenntnis ist für die Praxis eindeutig:
Wir fassen die Qualitätsanforderungen wie folgt zusammen: Prinzipien guter Wärmedämmung:
[AkkP 18] Wolfgang Feist (Hrsg.): „Qualitätssicherung beim Bau von Passivhäusern“; Protokollband Nr. 18 zum Arbeitskreis Kostengünstige Passivhäuser; Passivhaus Institut; Darmstadt, Dezember 1999.
[CEN] DIN, EN ISO 10077-2; „Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten“; Teil 2: Numerisches Verfahren für Rahmen; Februar 1999.
[Heideman/Mandel/Rebholz 1999] Heidemann, Mandel & Rebholz: „Bestimmung der Verlustwärmeströme infolge von Hohlräumen in Wärmedämmung mittels CFD-Berechnung“; Eine Studie im Auftrag vom Passivhaus Institut Darmstadt; Ingenieurgesellschaft für thermische Berechnungen, Stuttgart; September 1999 im Protokollband