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Temperaturmessungen an einer sehr gut wärmegedämmten Wand

Wärmeschutz funktioniert - einen handfesten Beleg hierfür liefern Messungen.

Die folgende Grafik zeigt Messergebnisse einer Langzeitmessung von hochgenauen Temperatursensoren, die in den Oberflächen und im Wandaufbau einer sehr gut wärmegedämmten Wand eines Neubaus eingebaut sind. Die Wand selbst ist im Querschnitt in der rechten unteren Ecke dargestellt: Die linke Seite ist außen, die Tragkonstruktion besteht aus einem 175 mm dicken Kalksandsteinmauerwerk (graublau), darauf ist außen eine 275 mm dicke Wärmedämmung aufgebracht, die außen verputzt ist.

Messwerte der Temperaturen in einer sehr gut wärmegedämmten Außenwand.
Die gemauerte Wand bleibt trotz niedriger Außentemperaturen im gesamten Querschnitt warm,
weil die Wärmedämmung vor Auskühlung schützt. Die Messergebnisse stimmen hervorragend
mit den Berechnungen nach den üblichen Methoden der Bauphysik überein.
Auch der Verlauf der Simulationsergebnisse sind im Diagramm dargestellt (durchgehende Kurven). Die Grafik zeigt viele weitere interessante Details, die im Text näher erläutert werden.


Temperatursensoren befinden sich:

  • Knapp unter der Innenoberfläche des Innenputzes (rotes Strichsymbol)
  • In der Mitte des Mauersteins (violettes Quadrat)
  • Zwischen der Dämmung und dem Mauerwerk (hellrotes Kreuz)
  • In der Dämmschicht (12 cm unter der Außenoberfläche, gelb gefüllte Raute)
  • Knapp unter der Außenoberfläche im Außenputz (blau ausgefülltes Quadrat)
  • Außenlufttemperatur (grüne Kurve)

Jeder Sensor (einzeln im Labor kalibrierte Pt100) misst die Temperatur mit einer Genauigkeit von etwa ±0,15 °C. Die Messwerte wurden über viele Jahre alle 30 Minuten von einem elektronischen Datenerfassungsgerät aufgezeichnet und sind in der obigen Grafik beispielhaft für einen Zeitraum von drei Tagen dargestellt. Die Auswahl des hier gezeigten Ausschnittes ist beliebig; ein Ausschnitt muss nur gewählt werden, damit die Verläufe klar erkennbar werden.

Betrachtung der Messergebnisse

Allein durch Betrachtung dieser Messergebnisse kann unmittelbar erkannt werden, dass die Wärmedämmung funktioniert:

  • Im gesamten Zeitraum ist es im Außenbereich deutlich kälter als im Raum: Die gemessenen Außentemperaturen schwanken zwischen -2,5 und 11,9 °C, Mittelwert 5,6 °C.
  • Die Temperaturen im Raum stimmen mit denen der inneren Wandoberfläche weitgehend überein. Sie liegen zwischen 22,9 und 25,3 °C (richtig schön warm!), der Mittelwert beträgt 24 °C. Im gesamten Zeitraum wurde übrigens in diesem Raum nicht geheizt. Die Wärme kommt ausschließlich von der durch die Südfenster eingestrahlten Sonnenenergie.

Trotz der beachtlichen Temperaturdifferenz von im Durchschnitt 18,4 Grad zwischen innen und außen kühlt die Mauersteinwand nicht aus, sondern verbleibt ungefähr auf dem gleichen behaglichen inneren Temperaturniveau. Der Wärmeverlust durch die Wand ist extrem gering, er kann allein durch die Wärmegewinne der Fenster in diesem Raum ausgeglichen werden - und das ist der sichtbare Beleg: Wärmedämmung funktioniert.

Die Diskussion kann an Hand der Grafik aber noch weiter geführt werden. Dazu wird ein genauerer Blick auf die Temperaturen geworfen, die in der Mauersteinwand selbst gemessen wurden. Das sind drei Kurven, die in der Grafik ziemlich nahe beieinander liegen: In der inneren Putzschicht (ganz oben), in der Mitte der gemauerten Wand und auf der Außenseite der gemauerten Wand (zwischen Wärmedämmung und Wand):

Es fließt nicht viel Wärme ab

Die Tatsache, dass alle diese Temperaturen sehr eng nebeneinander liegen, zeigt, dass von der äußeren Mauerwerksoberfläche nicht viel Wärme abfließt: Wäre das der Fall, so müsste diese äußere Oberfläche deutlich kälter sein als die Mitte des Steins oder gar die Innenoberfläche. Stattdessen ist die Außenoberfläche des Steins aber kaum kälter als der Innenputz: Außen liegt die Wand im Mittel bei 23,4 °C, der Innenputz hat im Mittel 24,1 °C.

Diese Beobachtung kann sogar für eine ganz grobe Abschätzung eines quantitativen Ergebnisses benutzt werden: Der mittlere Temperaturabfall in der Mauer inklusive Putz beträgt 0,63 Grad, der zwischen Maueraußenoberfläche und Außenputz auf der Dämmschicht 19,4 Grad. Die Wärmedämmwirkung der Dämmschicht ist daher um einen Faktor 19,4/0,63 ≈ 31 höher als die der Mauersteinwand. Das ist sogar etwas besser als das theoretische Ergebnis von etwa 28,5, das sich aus einer einfachen U-Wert-Berechnung ergibt: Die „Wärmedämmwirkung“ wird in der Bauphysik quantifiziert durch den Wärmedurchlasswiderstand. Der ergibt sich aus der Dicke der jeweiligen Bauteilschicht geteilt durch ihre Wärmeleitfähigkeit. Die bewusst als „grobe Abschätzung“ bezeichnete Berechnung des Faktors 31 wäre nur dann exakt, wenn die Temperaturen im Bauteil am Anfang und am Ende der Zeitperiode exakt gleich wären. Das ist hier nicht der Fall. Um eine genauere Berechnung zu erhalten, muss ein sehr viel längerer Zeitraum betrachtet werden: Dann spielen die Veränderungen zwischen Anfangs- und Endzeitpunkt eine kleinere Rolle.

Trotzdem liefert diese grobe Betrachtung einen weiteren Beleg: Wärmedämmung funktioniert sogar sehr gut, die abfließende Wärmemenge durch die Dämmung ist sehr klein, die Dämmwirkung der Wärmedämmung um ein Vielfaches höher als die der Mauersteinwand.

Instationäre Effekte

Die grobe Abschätzung im vorausgehenden Abschnitt hat den Makel, dass sie instationäre Effekte nicht berücksichtigt. Das ist nur zulässig, wenn über einen sehr langen Zeitraum gemittelt wird - drei Tage sind dafür im vorliegenden Fall etwas kurz. Mit den eingeführten Methoden der Bauphysik können wir diesen Makel aber vollständig beseitigen: Es kann nämlich völlig korrekt nach der instationären Wärmeleitungsgleichung (oder Fourier'schen Differentialgleichung) gerechnet werden. Diese genauere Berechnungsmethode haben wir (immer schon) bei allen wissenschaftlichen Auswertungen verwendet.

Die Berechnungsergebnisse, die sich nach der instationären Wärmeleitungsgleichung ergeben, sind in der oben gezeigten Grafik bereits eingezeichnet: Es handelt sich um die durchgehenden schwarzen Kurven, die jeweils sehr nahe an den Messwerten entlang verlaufen; sie laufen so nahe an den Messwerten entlang, dass es schwer ist, in der oberen Grafik überhaupt einen Unterschied zu erkennen. Wer die Unterschiede erkennen möchte, kann durch Klick auf die Grafik eine besser aufgelöste Version herunterladen: Auf dieser kann man immerhin am Messpunkt im Inneren der Dämmschicht um 15:30 des 12. Oktobers eine maximale Abweichung von etwa 0,25 °C erkennen. Das liegt im Rahmen der Genauigkeit, mit der diese Messungen durchgeführt werden können.

Das Ergebnis des Vergleichs zwischen bauphysikalischer Theorie (schwarze Kurven) und gemessener Praxis (farbige Symbole) ist ganz eindeutig: Bei der hier messtechnisch untersuchten Wandkonstruktion stimmen Theorie und Praxis sehr gut überein. Daraus ergibt sich ein großes Vertrauen in die bauphysikalischen Methoden.

Aus diesem sorgfältig durchgeführten Vergleich von Messung und Berechnung, mit Berücksichtigung der instationären Effekte, ergibt sich ganz eindeutig: Die Wärmedämmung funktioniert. Und sie leistet exakt das nach den Methoden der Bauphysik von ihr Erwartete: Unter anderem spart sie im hier vorliegenden Fall sehr viel Heizenergie ein.

Lupendarstellung

Auf der folgenden „Lupendarstellung“ sind die Temperaturverläufe in der gemauerten Wand hochaufgelöst zu erkennen (der Zeitraum ist exakt gleich). Bitte beachten Sie die hohe Temperaturauflösung: zwischen den durchgehenden und den gestrichelten horizontalen Gitternetzlinien besteht ein Abstand von 0,5 °C. Auf dieser Grafik sind Unterschiede von weniger als einem Zehntel Grad noch zu erkennen. Auch auf dieser Grafik ist zu erkennen, wie gut die bauphysikalische Berechnung (schwarze Kurven) mit der Messung (farbige Symbole) übereinstimmt.

Lupendarstellung der Temperaturmesswerte in der Mauersteinwand hinter einer guten
Wärmedämmung. Die gemauerte Wand bleibt trotz niedriger Außentemperaturen im
gesamten Querschnitt warm. Die Messergebnisse stimmen auf wenige Zehntel Grad
mit den Berechnungen nach der Wärmeleitungsgleichung überein.


Dass und warum sich die Temperaturen in der gemauerten Wand überhaupt verändern, das kann mit dieser Lupendarstellung sehr schön verstanden werden. Die Veränderung geht nämlich nicht vom Wärmeabfluss aus der Wand nach außen aus - dort befindet sich nämlich die Wärmedämmung, die ihre Aufgabe ausgezeichnet erfüllt und die Außeneinflüsse weitgehend abschottet. Die Veränderung geht vielmehr von der inneren Wandoberfläche (rote Striche -) aus: Bei den Temperaturen der Innenoberfläche sind die Änderungen nämlich am größten und sie erfolgen zeitlich vor den Änderungen tiefer in der Wand. Das erklärt sich ganz einfach (Daten vom 12. Oktober):

  • Zunächst nimmt von 0:00 bis kurz vor 6:00 die Temperatur aller gemauerten Wandschichten ab: Die Wand gibt (nach innen und außen) Wärme ab, und zwar Innen durch Wärme-Abstrahlung an die in der Nacht kalte Fensteroberfläche.
  • Ab 6:00 ist im Raum eine wachsende Einstrahlungsintensität durch das Fenster wirksam (es handelte sich am 12. Oktober um einen klaren Tag). Alle Innenoberflächen im Raum werden solar erwärmt, so auch diese Wandinnenoberfläche. Diese Westwand wird sogar bis ca. 9:00 direkt getroffen, daher der steile Anstieg (um 7:30 läuft ein Schatten des Fensterrahmens durch, das wiederholt sich auch am 13. Oktober). Aber auch nachdem die Strahlung nur noch indirekt wirksam wird, nämlich durch die Wärmeabstrahlung des später überwiegend solar beleuchteten Fußbodens, steigt die Temperatur der Innenoberfläche weiter an, bis zu einem Maximum um 13:00 bei 25,3 °C.
  • Die nächste Schicht mit Messfühler, 88 mm tief in der Wand, folgt dem raschen Anstieg der Putzoberfläche verspätet und gedämpft. Die Temperatur steigt dort „nur“ um 0,75 Grad an und das Maximum wird erst gegen 18:00 erreicht.
  • An der hintersten Mauerwerksschicht tritt das Maximum sogar erst um 19:30 auf und es erreicht nur 23,8 °C. Hier gibt es auch einen geringen Einfluss von außen her, der von der Wärmedämmung zwar stark abgeschirmt wird, aber wegen der viel geringeren Außentemperatur immer noch bemerkbar ist. Vor allem dadurch, dass die Temperatur an der Mauersteinaußenseite immer niedriger ist als die der Wandinnenoberfläche.


Es ist aus dieser noch höher aufgelösten Darstellung also sehr gut zu erkennen, dass die relativ schnellen Veränderungseinflüsse von der Innenseite der Konstruktion ausgehen. Dennoch ist der Wärmestrom in der Wand im Mittel immer noch nach außen gerichtet: Das sieht man an der Temperaturreihenfolge, die fast immer in der Ordnung Innenoberfläche - Mitte - außen besteht. Die im Mittel noch bestehenden Temperaturdifferenzen sind sehr klein (ca. 0,6 Grad über der gemauerten Wand), entsprechend klein sind die noch bestehenden Wärmeverluste. Gerade die hier dargestellte hohe Auflösung zeigt sehr gut, wie präzis die Berechnung mit den Messwerten übereinstimmt.

Fazit

Mit den Messergebnissen aus der wärmegedämmten Wand wurde hier zweierlei augenfällig belegt:1)

  1. Dass Wärmedämmung wie gewünscht funktioniert und den Wärmeverlust in bedeutendem Maß reduziert - in diesem Fall um etwa einen Faktor 28.
  2. Dass die Wärmedämmung dies in voller Übereinstimmung mit den heute anerkannten Regeln der Bauphysik leistet.

Diese Übereinstimmung von Theorie und Praxis hat sich bei sorgfältig durchgeführten Messungen immer wieder gezeigt. Dem Autor ist keine einzige wissenschaftliche Publikation bekannt, in welcher eine nicht erklärte Diskrepanz zwischen den Messungen und der Theorie besteht.

Wenn mehrere Außenbauteile zu einem kleinen „Haus“ zusammengefügt werden, dann ist die Wirksamkeit einer guten Wärmedämmung durch ein anschauliches Experiment leicht zu demonstrieren: Im Frühjahr 2007 haben in einigen deutschen Städten „Eisblockwetten“ stattgefunden. Dabei wird in einem gut gedämmten Häuschen ein Eisblock verstaut - der natürlich mit der Zeit auftaut, weil Wärme von außen in das Häuschen eindringt. Auch Fachleute sind oft verblüfft, wie lange das Eis bei guter Dämmung vorhält.

Siehe auch

Nachfolgende Abschnitte

1)
Warum schreiben wir hier nicht bewiesen sondern nur belegt?
Die Naturwissenschaften legen an einen Beweis ein viel strengeres Kriterium an als die allgemeine Praxis. Ein strenger Beweis ist nach diesem Kriterium nur in der Mathematik möglich, und dort gelingt er auch nur dadurch, dass zunächst unbewiesene Sätze (sog. Axiome) zugrunde gelegt werden. Diese Axiome werden in der Mathematik vorgegeben.
In allen Naturwissenschaften ist das nicht möglich. Denn hier geht es um eine möglichst gute Übereinstimmungen mit den Beobachtungen in der Natur. Die Gültigkeit allgemeiner Gesetze, wie z.B. dem Gesetz der Wärmeleitung, kann grundsätzlich nicht bewiesen werden: Dazu müssten alle nur denkbaren Anwendungen überprüft werden. Naturwissenschaftliche „Gesetze“ müssen sich daher immer wieder neu der Prüfung am Experiment stellen. Gerade dies definiert seriöse Wissenschaft und macht den Fortschritt überhaupt erst möglich. Und es führt dazu, dass der vorhandene Stand an wissenschaftlicher Kenntnis einen sehr hohen Grad an Zuverlässigkeit erreicht hat: Er hat nämlich bis heute jeder Überprüfung standgehalten. Auch dies stellt den Stand der Wissenschaft nicht in den Rang einer „absoluten Wahrheit“. Aber dieser Stand erlaubt die beste heute mögliche Beschreibung der Sachverhalte.
Dass die Wärmeleitungsgleichung die thermischen Vorgänge in einem Bauteil korrekt beschreibt ist zwar nicht „absolut“ sicher und schon gar nicht beweisbar. Es ist nur in etwa so sicher, wie die Erkenntnis, dass die Erde sich in einer Umlaufbahn um die Sonne befindet. Gerade diese Erkenntnis ist den Menschen zunächst sehr schwer gefallen, sie ist aber heute ziemlich unzweifelhaft.
Übrigens: Die kritischen Experimente zur Überprüfung der Wärmeleitungsgleichung sind von Wissenschaftlern bereits vor mehr als hundert Jahren an weit kniffligeren Fragestellungen durchgeführt worden. Die Wärmeleitungsgleichung wird heute z.B. verwendet, um die Temperaturverläufe in Triebwerkskonstruktionen oder in Kernreaktoren zu berechnen. Wären die Ergebnisse nicht zuverlässig, so hätte dies mitunter fatale Folgen. Aber auch so einfache Dinge wie eine Kühlschrank- oder Rohrwärmedämmung, die Thermoskanne (oder Eier- und Teemützen und selbst die Bettdecke) beruhen darauf, dass sich die Grundgesetze der Wärmeleitung immer und immer wieder als zuverlässig erwiesen haben.
planung/waermeschutz/waermeschutz_funktioniert/waermedaemmung_funktioniert_-_beleg_1_messungen_an_einer_sehr_gut_waermegedaemten_wand.txt · Zuletzt geändert: 2019/01/30 13:47 von cblagojevic