Von der Stoffwerttabelle
Nachfolgend werden die wichtigsten Kenngrößen der Baustoffeigenschaften der gelehrten Bauphysik beschrieben.
Es wirken jedoch noch viele weitere Einflussfaktoren, welche bisher nur unzureichend erforscht wurden bzw. nicht bekannt sind. So wirkt zum Beispiel beim Feuchtigkeitstransport auch die Levitation. Wasser bzw. dessen kleinsten „Teile der atomaren Ebene“, die Energien und Schwingungen, speichern Informationen (vereinfacht ausgedrückt). Man spricht vom Gedächtnis des Wassers. In dem porösen Baustoff befindet sich flüssiges und oder dampfförmiges Wasser. In diesen porösen Baustoffen findet neben den von der konventionellen Physik bekannten Eigenschaften ebenso ein energetischer und informativer Transport statt.
Unter 300 kg/m3 gilt ein Baustoff als Leichtbaumaterial. Werte über 2500 kg/m3werden nur von Natursteinen und Metallen erreicht. [1]
Der Energieeinsatz für die Herstellung eines Baustoffs ist unterschiedlich hoch. Zum Beispiel bei Naturprodukten ist vorwiegend nur der Abbau- und der Transportaufwand erforderlich. Bei der Herstellung von künstlichen Baustoffen fallen daneben noch meist energieaufwendige Umwandlungsprozesse an, zum Beispiel Eisenherstellung (Hütte), Kalkbrennen usw.
Die Werte für den Primärenergiegehalt ist von vielen zum Teil sehr unterschiedlichen Faktoren, Standorten, Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren usw., abhängig. Es ergibt sich eine Summe der einzelnen Energiemengen, die sich für Herstellung des Baustoffs ergeben. Es wird oft als Wertgröße verwendet, um alternative Baustoffe auszuwählen. Zum Teil hat der Lehm ein sehr niedrigen Primärenergiegehalt, wenn er direkt aus der Baugrube verarbeitet wird. Dem gegenüber steht aber ein hoher arbeitsintensiver und zeitlicher Aufwand, da nur ein geringer Mechanisierungsgrad zum Tragen kommt. Die Bauzeiten sind gegenüber der heutigen üblichen Bauausführung extrem lang.
Nach Fourier ist der im Stoff geleitete Wärmestrom Q dem Temperaturgefälle dt/dx und der Wandfläche A senkrecht zum Wärmestrom proportional. Die Gleichung lautet
Der Proportionalitätsfaktor λ heißt Wärmeleitfähigkeit. Er ist eine Stoffeigenschaft und in geringem Maße von Temperatur und Druck abhängig. Er muss experimentell ermittelt werden.[2] Gute Wärmeleiter (Metalle) haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit, schlechte Wärmeleiter niedrige. Sind diese λ Werte kleiner 0,1 W/mK, so zählen diese Materialien zu den Wärmedämmstoffen. [1]
Die Wärmeleitfähigkeit eines Stoffes ist auf die thermische Molekularbewegung zurückzuführen. Sie wird vor allem durch zwischenmolekulare Kräfte vermittelt.
Kristallisierte Stoffe besitzen ein großes Wärmeleitvermögen, zum Beispiel Metalle und ihre Legierungen ( λ = 40 bis 380 W/mK) (gute Wärmeleiter). Bei amorphen Stoffen ist das Wärmeleitvermögen im Vergleich geringer, zum Beispiel Glas (λ = 0,8 bis 1,1 W/mK). Es nimmt weiter ab, wenn im amorphen Stoff Makromoleküle vorliegen, zum Beispiel bei dichten Plasten (λ = 0,12 bis 0,4 W/mK). Bei porösen und porigen Stoffen beeinflussen die in den Poren eingeschlossenen Medien Luft, Wasserdampf oder Wasser die Wärmleitfähigkeit entscheidend. Je kleiner der mittlere Porendurchmesser ist, um so größer ist seine Wärmedämmeigenschaft. Zwei Körper aus dem gleichen Material können dieselbe Rohdichte und dasselbe Porenvolumen aufweisen und dennoch verschieden in der Wärmedämmeigenschaft sein.[3]
Zum Beispiel Sand feucht: λ = 1,1 W/mK, Sand trocken: λ = 0,33 W/mK oder Eiche radial: λ= 0,17...0,31 W/mK, Eiche axial: λ= 0,37 W/mK.[2]
Die Eigenschaften des einzelnen Baustoffs sind gut erkennbar mit Hilfe des Wärmeeindringkoeffizienten
Je größer der Wert ist, umso mehr speichert der Stoff Wärme, um so berührungskälter ist er, um so langsamer kühlt er aus. [3]
Bei Werten unter 20 kJ/m2Ks0,5 wird die Oberfläche des Stoffes sehr schnell warm, weil die Wärme nur langsam nach innen weitergeleitet wird (= sehr günstiges Verhalten für Fußböden und andere raumumschließende Flächen); bei Werten von 20 - 50 erreicht der Stoff eine angenehme Oberflächentemperatur (fußwarm); bei Wärmeeindringkoeffizienten größer 50 wirkt die Oberfläche kalt, da die Wärme schnell ins Innere des Stoffes abfließt, über 150 ist der Wärmeabfluss sehr unangenehm (zum Beispiel Metalle).[1]
Umrechnung
1 kJ = 2,78 x 10-4 KWh ; 1 J = 1 Ws
kJ/m2h0,5K = kJ/m2s0,5K x 60
Die Wärmespeicherfähigkeit eines Stoffes ist der Wärmeleitfähigkeit, der Rohdichte und der spezifischen Wärmekapazität direkt proportional. Dabei ist die spezifische Wärme im allgemeinen um so geringer, je größer die Dichte des Stoffes ist. Bei massiven Baustoffen variiert sie so wenig, dass die Rohdichte eine ausreichende Orientierung für die Wärmespeicherfähigkeit bietet (Dicke x Rohdichte = flächenbezogene Masse). [3] Je mehr Wärme ein Stoff speichern kann, um so träger reagiert er bei Aufheizung und Abkühlung (sogenannte Amplitudendämpfung). Mineralische Stoffe haben Werte von ca. 0,8 - 1,0 kJ/kgK, Werte um 2,0 kJ/kgK werden nur von Holz und Holzwerkstoffen erreicht.
Ist ein Maß für die Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer Temperaturänderung in einem Körper. Eine Temperaturänderung pflanzt sich um so rascher fort, je größer das Wärmeleitvermögen ist und je kleiner die spezifische Wärmekapazität und die Dichte sind. [2]
Sie ist die Basis zur Ermittlung der Phasenverschiebung. Neuere Untersuchungen haben ergeben, dass Baustoffe aus nachwachsenden Rohstoffen sehr gute Werte erreichen, da sie ein nahezu ideales Verhältnis von spezifischem Gewicht, hoher Speicherzahl und niedriger Wärmeleitzahl aufweisen.[1]
Die Fähigkeit von Baustoffen, für Wasserdampf durchlässig zu sein, wird durch die Wasserdampfdiffusionswiderstandszahl beschrieben.
Je niedriger der Wert desto weniger wird der Wasserdampf auf dem Weg von der warmen zur kalten Seite gebremst. Für offenporige Konstruktionen ist ein niedriger μ-Wert vorteilhaft, da die Entfeuchtung ungehindert und schnell ablaufen kann.
Für die gebräuchlichsten Baustoffe für die μ-Wert sind in der DIN EN ISO 10456 und der DIN 4108-4 aufgeführt.
Werte unter
μ = 10 zeigen eine sehr gute Diffusionsfähigkeit für Wasserdampf an;
μ = 10 - 50 sind mittlere Diffusionswerte;
bei μ- Werten von 50 - 500 wird die Dampfdiffusion eingeschränkt;
bei μ 500 - 15.000 wird sie stark eingeschränkt;
ab μ 15.000 wirkt ein Material wasserdampfsperrend;
ab μ 100.000 ist ein Material dampfdicht.
Eine Aussage über die Wirkung eines Materials in einer gegebenen Konstruktion ist nur bei gleichzeitiger Berücksichtigung der Dicke des Stoffes möglich μ x s = Diffusionswiderstand in "μ").
Dieser μ-Faktor sagt jedoch nur aus, wie gut Wasserdampf in einem Material im Verhältnis zu Luft diffundiert, aber nichts über die Diffusionsfähigkeit von Wasser. So lässt ein Zementputz (μ =20) den Wasserdampf relativ gut durch, so sperrt er doch Wasser beachtlich gut (relativ große Wassermoleküle). Dies gilt für Materialien, die kein Wasser durchlassen aber trotzdem (Wasserdampf-) diffusionsoffen sind, zum Beispiel Kunststoff-Zement-Putze, Dispersionsanstriche. Lehm oder nicht zu hoch gebrannte Ziegel lassen jedoch Wasserdampf und auch flüssiges Wasser diffundieren.[5]
Weitere Ausführungen zur Diffusion
Der Wasseraufnahmekoeffizient gibt an, wie viel Wasser der Stoff innerhalb einer bestimmten Zeit aufnimmt.
Der Wasseraufnahmekoeffizient ergibt sich aus der flächenbezogenen kapillaren Wasseraufnahme Wakt bis zur Zeit t und der Zeit t zu
Wakt
W = -------
√t
[6]
Die Auskühl- bzw. Aufheizdauer von (mehrschichtigen) Außenbauteilen kann durch diesen in die ... Baunormen aufgenommenen Rechenwert bestimmt werden (abgekürzt z). Man berechnet ihn, indem man die Wärmespeicherungszahl (in kJ/(m2K)(siehe oben) des Bauteils durch seinen um das 3,6fache vergrößerten U-Wert teilt. Sie gibt in Stunden an, wie lange es bei konstantem Wärmeentzug dauert, bis ein Bauteil in allen Schichten auf dasselbe Temperaturniveau ausgekühlt ist (bzw. bis es bei konstanter Wärmezufuhr ein konstantes Temperaturgefälle erreicht hat).
In Räumen mit Außenmauern ist das Wohnklima um so angenehmer, je größer die Auskühlkennzeiten der Außenmauern sind. Werte von mehr als 120 Stunden für z gelten als sehr gut. Der untere Grenzwert für Außenmauern von Wohnräumen ist z = 36 Stunden. Eine ungedämmte, 30 cm dicke Kiesbetonwand käme deshalb auch als Außenwand für einen Wohnraum gar nicht in Frage; für sie gilt z = 20 h.
Bei einer vierschichtigen, außen gedämmten Leichtziegelwand liegt eine Wärmespeicherungszahl von z = 198,41 h. vor. Sie ist also besonders gut als Außenwand eines Wohnraums geeignet. Bei Innendämmung derselben Wand kommt man mit z = 88,13 h auf eine viel schlechtere Auskühlkennzeit.[4]
Bemerkung zu den Tabellenwerten der Stoffwerttabelle
Werden die Wertgrößen in den Tabellen von Eichler, Schiffner und König verglichen, so ergeben sich zum Teil erhebliche Unterschiede. Dies hängt sicherlich damit zusammen, mit welchen Untersuchungsverfahren und welcher Baustoff mit seiner jeweiligen chemischen Zusammensetzung und den Feuchtegraden die einzelnen Werte experimentell bestimmt wurden. Hier sollen einige Beispiele das Problem benennen.
Stahl mit einem Anteil von 0,1% C hat einen lambda-Wert von 53 W/mK. Mit einem Anteil von 1% C liegt dieser Wert bei 40 W/mK.
Werden die μ -Werte nach Cermak, Cammmerer, und Görling verglichen, so treten bei dünnen Diffusionsschichten große Diskrepanzen auf. Werden Wärmedämmstoffe oder vor allem Abdichtstoffe betrachtet, so hat man für einen Stoff ein Spanne von 2000 bis 20000 (für nackte Bitumenbahn)= 1000%, PUR-Hartschaum 30 bis 100 = 333% usw. Bei der Streubreite einiger dieser Grunddaten erübrigt sich jegliche komplizierte Berechnung.
Literatur
[1] Holger König; Wege zum Gesunden Bauen 1997, Ökobuch Staufen b. Freiberg S.225 ff
[2] Günter Meyer, Erich Schiffner; Technische Thermodynamik 1983, Fachbuchverlag Leipzig S. 207, 365
[3] Eichler, Friedrich; Arndt, Horst; Bautechnischer Wärme- und Feuchtigkeitsschutz 1989; Bauverlag; S. 23, 24, 114, 226
[4] Kur, Friedrich; Wohngifte, Handbuch für gesundes Bauen und Einrichtungen, 3. Aufl. Verlag Eichborn, 1993, S. 532
[5] Oberrauch, Bernhard; Bauphysikalische Daten über Lehm, Wohnung + Gesundheit 9/92 Nr. 64 S.48/49
Härig, Siegfried; u.a.; Technologie der Baustoffe 14. Aufl. 2003 C.F. Müller Verlag S. 210
Weitere Literatur
Reinhard Wendehorst, Bautechnische Zahlentafeln, 26.Aufl. 1994, Stuttgart-Teubner
RKW Bauwesen; Wirtschaftliche Energienutzung an Gebäuden, TÜV-Verlag 1989
© Holzbau | Baukonstruktionen | Sanierungskosten | Bauideen | Gesundheit erhalten | AGB/Datenschutz | 01/2021 
