Ergänzung (2) zu Beleg 1

 

Dr. Wolfgang Feist leitet das Passivhaus-Institut in Darmstadt. Er ist Dipl.-Physiker und promovierter Bauphysiker.

Hier eine weitere Ergänzung zu den Ausführungen auf der Hauptseite. Der Vergleich von Messung und Rechnung für eine gut wärmegedämmte Wand liefert eine Reihe von erhellenden Erkenntnissen, auf deren Basis viele Zusammenhänge besser zu verstehen sind. Hier noch einmal die Grafik:


Grafik: 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. (Klick auf die Grafik liefert eine höher aufgelöste Version)

 

 

Ein auffälliges Detail in dieser Temperaturverlaufsgrafik haben wir bisher nicht diskutiert: Die Unterschiede zwischen der Temperatur der äußeren Oberfläche (Putz auf der Dämmung, in der Grafik ein blaues Quadrat) und der Außenlufttemperatur (grüne Linie ohne Symbole). Aus diesen Unterschieden, die ebenfalls hoch genau gemessen wurden, kann viel gelernt werden.

Ganz kurz zusammengefasst:

  • Dass die Außenoberflächentemperatur zeitweise (hier sogar meistens) unter der Außenlufttemperatur liegt, wird durch die infrarote Wärmestrahlungsbilanz 1) zum Himmel bewirkt. Dass sie manchmal deutlich über der Außenlufttemperatur liegt, ist eine Folge der direkten, diffusen und reflektierten solaren Einstrahlung.
  • Im Mittel ist die Außenoberfläche eines frei stehenden unbeheizten Gegenstandes im Winter in Europa kälter als die Außenluft: Im Mittel kühlt die Nordhemisphäre im Winter durch Strahlungskühlung ab.
    Stark vereinfacht: Es gibt keine Netto-Strahlungsgewinne bei Außenoberflächen im Winter, vielmehr gibt es einen Netto-Strahlungswärmeverlust. Gewinne sind nur möglich, wenn die Solarstrahlung weiter innen in der Konstruktion absorbiert wird, wie es z.B. bei einer Trombe-Wand oder einer transluzenten Wärmedämmung oder eben einem guten Fenster der Fall ist.
  • Im Sommer dagegen ist die Außenoberfläche wärmer als die Außenluft: In dieser Jahreszeit ist die solare Einstrahlung etwas höher als die Infrarot-Abstrahlung: Die Nordhemisphäre nimmt Nettowärme auf.

 

Wieso ist die Außenoberfläche so kalt?

Gehen wir der Reihe nach vor und beginnen mit dem 12. Oktorber. Bis Sonnenaufgang um ca. 6 Uhr schwankt die Außenlufttemperatur um einen Wert von etwa 0°C (Minimum bei -1,4 °C). Die äußere Putzoberfläche ist aber deutlich kälter (!!). Was ist da los? Für die Bauphysik ist das überhaupt nicht überraschend - nur für die herkömmliche Vorstellung, nach der eine Hüllfläche Wärme an die Umgebungsluft abgibt. Das ist für diese Oberfläche in der Nacht nicht der Fall - auch an den folgenden Tagen nicht. Die Oberfläche ist zu diesen Zeiten kälter als die Außenluft; die Außenluft gibt sogar Wärme an die Oberfläche ab! Das ist ja prima, werden manche frohlocken, die es schon immer besser (aber eben doch nicht ganz richtig) wussten...

Wieso ist die Außenoberflächer in der Nacht kälter als die Außenluft? Ganz einfach: Sie strahlt Wärme als Infrarotstrahlung ab. Diese Strahlung kann nach allen Seiten entkommen. Andererseits absorbiert die Oberfläche aber auch Wärmestrahlung, die von den Gegenständen in der Umgebung abgegeben wird. Sie "sieht" sozusagen die Umgebung im Wärmestrahlungslicht (in diesem Fall im Infrarotlicht). Welche Umgebung sieht die Oberfläche? Es handelt sich um eine weitgehend unverschattete Westwand. Diese Wandoberfläche sieht in guter Näherung in der oberen Hälfte des Gesichtsfeldes den Himmel, in der unteren Hälfte den Umgebungsboden bzw. seinen Bewuchs. Letzterer hat ziemlich genau die gleiche Temperatur wie die Wand (nämlich etwas kälter als die Umgebungsluft - was dann am frühen Morgen durch Raureif sehr schön sichtbar wird).

Der Bewuchs strahlt mit der gleichen Temperatur und hat auch ungefähr einen ähnlichen Emissionskoeffizienten (zwischen 0,91 und 0,98, in guter Näherung "1"). Dadurch kommt aus dem unteren Teil des Gesichtsfeldes der Außenoberfläche etwa die gleiche thermische Strahlung zurück, wie in diesen Teil ausgesandt wird: Hier ist die Strahlungsbilanz etwa ausgeglichen. Ganz anders in der oberen Hälfte des Gesichtsfeldes! Was sieht die Wand dort? Nun, im sichtbaren Licht wäre es das Weltall, und das ist im wahrsten Sinn des Wortes "strengbitterkalt", nämlich einer Temperatur von -270,425 °C entsprechend (... siehe kosmischer Mikrowellenhintergrund). So wäre das z.B. auf dem Mond; dort wird es auf der jeweiligen Nachtseite dann auch ziemlich kalt (-160 °C). Auf der Erde ist das zum Glück anders, weil es hier eine schützende Lufthülle gibt. Diese Lufthülle ist im betreffenden Strahlungsbereich (3 bis 50 µm Wellenlänge) nicht vollständig durchsichtig; vielmehr haben hier einige Moleküle thermische Absorptionsbanden, so z.B. das Wasser H2O und das Kohlendioxid (und auch das Methan; genaueres dazu vgl. folgende Link: webgeo). Diese Gase bilden einen für die Wärmestrahlung nur reduziert durchlässigen Schirm. Die thermische Strahlung wird zu einem (großen) Teil von diesen Molekülen absorbiert. Dadurch steigt deren Bewegungsenergie etwas an, mit anderen Worten, die Gase bekommen eine höhere Temperatur. Mit dieser Temperatur strahlen dieselben Gase selbst wieder Temperaturstrahlung ab, und zwar ungerichtet in alle Richtungen: Zum Teil hinaus Richtung Weltall, zum anderen Teil zurück Richtung Erdoberfläche (z.B. auch auf unsere Wand). Die Wand sieht im Infraroten im wesentlichen diese Moleküle in der Atmosphäre, sie empfängt somit auch die thermische Strahlung der Atmosphäre, mit dem Fachwort "atmosphärische Gegenstrahlung" genannt. Die ist zwar auch "kälter" als die Umgebungsstrahlung (denn die Moleküle strahlen am Ende Energie in das Weltall ab), aber spürbar wärmer als das kalte Weltall: Die äquivalente Temperatur eines strahlenden Gegenstandes, der die Gegenstrahlung erzeugt, liegt zwischen der Lufttemperatur (bei Nebel) und bis zu 50° unter der Lufttemperatur, abhängig vom Bewölkungsgrad, der Luftfeuchtigkeit, der Wolkenhöhe, dem Standort u.a.m. Diese atmosphärische Gegenstrahlung kann man übrigens mit einem Pyrgeometer oder mit einer Wärmebildkamera direkt messen - sie ist durch die Randbedingungen und die Physik des Strahlungsaustausches eindeutig festgelegt. (vgl. Bild rechts: der "blaue Himmel" ist hier etwa 6 °C kälter als die Umgebungsluft). Gegenstrahlung steigt an, wenn die Wasserdampfkonzentration (=Feuchtigkeit) der Atmosphäre zunimmt - diesen Effekt kann jeder unmittelbar selbst prüfen: In einer trockenen Nacht (klar) ist die "Kälte" der Atmosphäre im Gesicht zu spüren. In einer dicht bewölkten Nacht gibt es dagegen kein Tauwasser auf der Windschutzscheibe! Auch eine höhere CO2-Konzentration erhöht die Gegenstrahlung - diesen Effekt misst die Menschheit gerade in einem jahrehundertelangen Dauerexperiment: Inzwischen ist die mittlere Temperatur der Erdoberfläche um etwa 0,6° angestiegen, genug um Gletscher und Polareismassen zu reduzieren (Link zur Erklärung der Zusammenhänge; die Physik ist gleich für dieses Phänomen). Im Forschungsprojekt Darmstadt Kranichstein wurde die Gegenstrahlung über einen Zeitraum von mehreren Jahren kontinuierlich mit einem Pyrgeometer gemessen.

Kommen wir zurück zu unserer Wandoberfläche: Sie strahlt Wärme in alle Richtungen ab, erhält aus dem unteren Gesichtsfeld etwa die gleiche Strahlungsenergie zurück, aus dem Himmel allerdings in der klaren Nacht des 12. Novembers nur eine Strahlung, die einer Temperatur von unter -15 °C entspricht. Damit verbleibt ein ziemlich hoher Netto-Wärmeverlust in der Strahlungsbilanz. Nun gibt es für die Oberfläche aber auch "Wärmegewinne": Einerseits Wärme, die durch Konvektion aus der umgebenden Luft aufgenommen wird (jawohl, die Oberfläche kühlt die Luft; auch die Pflanzenoberflächen tun das in der Nacht; das ist der entscheidende Grund, warum auch die Luft in der Nacht kälter wird) - andererseits Wärme, die von der Rückseite der Oberfläche, also aus der Wärmedämmung heraus, aufgenommen wird. Da die Wärmespeicherfähigkeit des Putzes zwar nicht Null, aber doch relativ gering ist, stellt sich sehr schnell ein Wärmegleichgewicht im Putz ein: Die Summe der Verluste (hier: Infrarotstrahlungsbilanz mit Nettoabstrahlung) ist gleich der Summe der Gewinne (Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft und aus Richtung der Wärmedämmung der Wand). Letztere ist in Bezug auf die Dimensionen der Energieströme an der Oberfläche, insbesondere der Nettoabstrahlung, klein (aber nicht unbedeutend für die Energiebilanz des Wärmestromes durch die Wand). Die Nettoabstrahlung wird somit weitgehend von einer Nettowärmeaufnahme aus der Umgebungsluft kompensiert: Dadurch wird die Oberfläche aber so kalt, dass dieser konvektive Wärmestrom von der Umgebungsluft an die Wand gerade den Strahlungsverlust ausgleichen kann: Jetzt ist klar, warum die Wandoberfläche in einer klaren Nacht kälter ist als die Umgebungsluft.

Diesen Effekt kann jede/r selbst an der Windschutzscheibe von Fahrzeugen beobachten: In klaren Nächten fällt die Oberflächentemperatur wegen der Abstrahlung unter die Lufttemperatur, ja oft sogar unter die Taupunkttemperatur der Umgebungsluft. Dann gibt es einen Tauwasserniederschlag an der Windschutzscheibe; oder, wenn die Temperatur der Oberfläche unter 0 °C liegt, sogar Raureif.

Jedes Hausdach zeigt diesen Effekt, es sei denn, es ist katastrophal wenig wärmegedämmt und wird von innen so stark aufgeheizt, dass sich kein Reif bilden kann; allerdings ist die Innenoberfläche dann ebenfalls so kalt, dass sich dort auch Tauwasser bildet - und das ist dann wirklich ein Problem. Dächer und Außenoberflächen von Gebäuden sind so konstruiert (... müssen so konstruiert sein), dass sie die Reifbildung nicht schädigt. Schnee und Hagel müssen die Oberflächen ohnehin "abkönnen", das ist somit keine zusätzliche oder besondere Anforderung. Eine ganz schlechte Idee ist es, die Oberflächen durch "beheizen" reif-, eis- und schneefrei halten zu wollen (Es gibt viele Wege, völlig überflüssige Energieverbräuche zu erzeugen. Man kann auch einen Kupferstab ins Erdreich rammen und dann an das Stromnetz anschließen - wer das gern bezahlen will, bitte schön).

 

 


Grafik: Messwerte der Temperaturen in einer sehr gut wärmegedämmten Außenwand. Die wichtigsten Fakten dazu finden sie hier. Wärmedämmung funktioniert.
Im Folgenden geht es um den Temperaturanstieg an der Außenoberfläche an einem sonnigen Tag (z.B. 12. Oktober, 6:00 bis 13:30).

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Unter Sonneneinstrahlung: Erwärmung

Der 12. Oktober war ein ganztägig klarer Tag. Daher steigt die Außenlufttemperatur schon vom frühen Morgen an: Ab 5:30 heizt die Sonneneinstrahlung die Umgebung, und die Umgebung heizt die Außenluft, bis auf 11,2 °C am frühen Nachmittag. Da die

"flimmernde Luft in der Mittagshitze"
insbesondere der gut absorbierende Asphalt nimmt hohe Temperaturen an. Foto: Wolfgang Schreiber
vermessene Wand nach Westen orientiert ist, trifft die direkte Sonnenstrahlung dort erst gegen Mittag auf. Aber auch die diffuse Strahlung des Himmels und die reflektierte Strahlung der Umgebung heizen die Oberfläche: Die Temperaturdifferenz zur Außenluft, die zunächst 4° beträgt, nimmt ab. Um 10:45 ist die Außenwandoberfläche etwa gleich warm wie die Außenluft. Und dann heizt die Strahlung immer noch weiter ein: Die Oberfläche ist um 13:30 fast 20°C warm! .. und somit um fast 9° wärmer als die Umgebungsluft. Nun kehren sich die vorhin beschriebenen Verhältnisse um: Die Wand gibt passiv solar erhaltene Wärme konvektiv an die Außenluft und auch nach hinten (in die Wärmedämmung) ab. Weil die Dämmung sehr gut ist, ist letzterer Wert klein gegenüber der Wärmeabgabe in die Umgebungsluft. Die Außenwand heizt nun die Umgebungsluft, so wie es andere sonnenbeschienenen Gegenständen schon die ganze Zeit gemacht haben (das ist der Grund, warum die Außenlufttemperaturen zunehmen). Wegen der guten Dämmung unterscheidet sich der Temperaturverlauf an dieser Außenoberfläche nur sehr wenig von dem Verlauf, der gemessen würde, wenn auf der Innenseite der Außenwand gar nicht Raumtemperatur, sondern Außentemperatur herrschen würde.

Wenn die Strahlung dann wieder nachlässt, sinken die Oberflächentemperaturen rasch wieder ab. Etwa um 17:00 wird die Lufttemperatur bei ca. 5 °C wieder erreicht und über Nacht.geht es wegen der dann überwiegenden Abstrahlung dann unter den Gefrierpunkt.

 

Und die Bilanz für den ganzen Tag?

Die mittlere Temperatur der Außenoberfläche lag am 12. Oktober bei 3,4 °C, die der Außenluft bei 4,3 °C. Im Mittel ist die Oberfläche dieser Wand an einem klaren Tag im Oktober kälter als die mittlere Außenlufttemperatur; und dies ist trotz der Sonneneinstrahlung so. Für die weiter innen in der Wand liegenden Schichten spielt es keine Rolle, warum die Außenoberfläche kälter (oder wärmer) ist - einzig die Tatsache, dass die Oberfläche kälter ist, führt dazu, dass der mittlere Wärmeverlust größer ist, als ein gegenüber Außenlufttemperatur berechneter. Trotz solarer Wärmegewinne ist der Wärmeverlust dieser Außenwand also (geringfügig) höher, als normalerweise berechnet - weil der langwellige Abstrahlungseffekt die solaren Wärmegewinne mehr als kompensiert. Wie an dieser Messung gut zu sehen ist, setzt die Nettokühlung in der Strahlungsbilanz in unseren Breiten schon im Oktober ein - im Kernwinter (Mitte November bis Ende Februar) überwiegt die Nettostrahlungskühlung sogar noch mehr. Schon die Zeiten mit solarer Einstrahlung werden sehr kurz - und die Intensitäten noch dazu, während die Atmosphäre kälter wird und die Länge der Nächte zunimmt. Diese Verhältnisse gelten auch für eine ungedämmte Wand. Deren Außenoberfläche hat eine höhere Temperatur und strahlt daher noch mehr Infrarotstrahlung in die Atmosphäre ab (während Gegenstrahlung und Solargewinn bei gleicher "Farbe" der Oberfläche gleich bleiben). Bei schlechter Dämmung und Heizbetrieb im Gebäude liegt irgendwann die äußere Oberflächentemperatur immer über der Außenlufttemperatur. Dann verändert sich die Oberflächenenergiebilanz dahingegehend, dass Wärme nun auch konvektiv an die Außenluft abgegeben wird.

Der auch noch dargestellte 14. Oktober war ein bewölkter Tag. An diesem Tag unterscheiden sich die äußere Oberflächentemperatur und die Außenlufttemperatur nur wenig. Auch an diesem Tag ist die Oberfläche im Mittel etwas kälter als die Außenluft. Bewölkte Tage sind im Winter eher der Normalfall, klares strahlungsreiches Wetter eher die Ausnahme. Am bewölkten Tag kommt einerseits nur wenig solare Einstrahlung an, andererseits ist aber auch die atmosphärische Gegenstrahlung höher, weil sie hauptsächlich von den (tiefer liegenden) Wolken kommt, genauer aus dem Bereich der Wolkenuntergrenze oder Wolkenbasis. Damit nähert sich am bewölkten Tag die Strahlungsbilanz derm Wert "Null".

Fazit: Die sauber gerechnete oder gemessene Strahlungsbilanz an Bauteil-Außenoberflächen führt in der Heizzeit eher zu höheren als zu niedrigeren Wärmeverlusten, insgesamt ist der Effekt aber schon an klaren Tagen gering, an bewölkten vollends vernachlässigbar. Im Artikel "Wärmedämmen oder Wärmespeichern" wird übrigens belegt, dass diese Aussage von der Wärmespeicherfähigkeit der Wand unabhängig ist. Jeder Winzer kennt den Effekt: Schon im Herbst wird oft im landwirtschaftlichen Wetterbericht vor "Bodenfrost" gewarnt.
Anmerkungen

1) Auf unserer Seite zur Strahlungsphysik haben wir einige Informationen zur Wärmestrahlung zusammengestellt. Die Kenntnis der Gesetze der Wärmestrahlung hilft, viele Vorgänge in Verbindung mit der Heizung besser zu verstehen - und nicht nur diese. Auch der Treibhauseffekt lässt sich nur verstehen, wenn die Gesetze der Wärmestrahlung bekannt sind. Außerdem ist dies ein ganz spannendes Kapitel der Physik: Max Planck hat durch sorgfältige Analyse der experimentellen Ergebnisse der Wärmestrahlung die Quantentheorie in die Physik eingeführt, das war im Jahr 1900.

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(aktualisiert 09.11.2006 Autor: Dr. Wolfgang Feist 
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