Wärmedämmung funktioniert

Beleg 1: Messungen an einer sehr gut wärmegedämten Wand                    

(Link zu Beleg 2, zu Beleg 3 und zu Beleg 4 )

Wie kann es eigentlich dazu kommen, dass dieser einfache Sachverhalt bezweifelt wird? ¹) Sei es wie es will, in den folgenden Artikeln werden Belege zusammengestellt, die über jeden Zweifel erhaben sind:

• Wärmedämmung, insbesondere die an Gebäuden und an Außenwänden von Gebäuden, funktioniert.
  
• Sie funktioniert genau so, wie es den seit Jahrzehnten bewährten Erkenntnissen der Bauphysik entspricht.
  
• Durch Wärmedämmung steht uns das größte Energiesparpotential zur Verfügung, das überhaupt in absehbarer Zeit erschlossen werden kann.
  
• Bessere Wärmedämmung ist eine Maßnahme, die nicht nur Energie spart, sondern auch Bauschäden verhindert und die Behaglichkeit in Gebäuden erhöht.
  
• Bessere Wärmedämmung ist zudem rentabel: Die Kosten für den Wärmeschutz zahlen sich aus den Energiekosteneinsparungen zurück.

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

Dr. Feist ist Träger des Deutschen Umweltpreises und des Umweltpreises der Stadt Göteborg.

Seit mehr als 25 Jahren hat Dr. Feist den Energiehaushalt von Gebäuden in Theorie und Praxis studiert. In Hunderten von gebauten Beispielprojekten hat er untersucht, welche Maßnahmen zur Verbesserung der Behaglichkeit beitragen, Energie sparen und die Bauqualität verbessern.

Es gibt viele wirksame Maßnahmen: Eine steht jedoch ganz vorn: Der verbesserte Wärmeschutz.

Diese Aussagen sind durch die Erfahrungen mit gut wärmegedämmten Neubauten und durch die Erfahrungen mit nachträglicher Wärmedämmung an bestehenden Altbauten belegt. Die Belege sind durch saubere wissenschaftliche Methoden erbracht. Die Ergebnisse der dazu durchgeführten Messungen sind so eindeutig, dass jeder sie unmittelbar verstehen kann. Und diese Belege stehen in voller Übereinstimmung mit dem Erkenntnisstand der zuständigen Disziplin, der Bauphysik. Im Folgenden werden die Belege nachvollziehbar dargestellt - die wissenschaftliche Publikation ist an anderer Stelle längst erfolgt.

Beleg 1:
Langzeitmessungen in Außenwänden von sehr gut wärmegedämmten Neubauten

Das folgende Bild zeigt Messergebnisse von hochgenauen Temperatursensoren, die in den Oberflächen und im Wandaufbau einer sehr gut wärmegedämmten Wand 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.

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. Die Messergebnisse stimmen hervorragend mit den Berechnungen nach den üblichen Methoden der Bauphysik überein. Die Grafik zeigt viele interessante Details, die im Text näher erläutert werden. (Klick auf die Grafik liefert eine höher aufgelöste Version, einen erweiterter Zeitausschnitt gibt es hier)

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 x)
• In der Dämmschicht (12 cm unter der Außenoberfläche, gelb gefüllte Route ◊)
• Knapp unter der Außenoberfläche im Außenputz (blau ausgefülltes Quadrat ‚)
• Außenlufttemperatur (grüne Kurve).

Jeder Sensor misst die Temperatur auf etwa ±0,15 °C genau. Die Messwerte wurden über viele Jahre alle 30 Minuten von einem elektronischen Datenerfassungsgerät aufgezeichnet.

Diese Messwerte sind im Diagramm 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.

(a) 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 Wand nicht aus, sondern verbleibt ungefähr auf dem 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 Styropor und Wand):

(b) 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 mit einer einfachen U-Wert-Berechnung herauskommt: Die "Wärmedämmwirkung", das ist in der Bauphysik der 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.

(c) Die grobe Abschätzung unter (b) hatte den Makel, dass sie instationäre Effekte nicht berücksichtigt hat. 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.

Auch nach dem korrekt durchgeführten Vergleich (c) von Messung und Berechnung 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.

(zu einer Ergänzung mit "Lupendarstellung" zur oberen Grafik)

Mit den Messergebnissen aus der wärmegedämmten Wand wurde hier zweierlei augenfällig belegt: ²)

(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. In loser Folge werden weitere Beiträge in dieser Reihe erscheinen.

Auch wenn mehrere Außenbauteile zusammen ein kleines "Haus" bilden 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. Hier finden Sie eine Analyse zu einer besonders gut dokumentierten Eisblockwette.

Link zu Beleg 2 zur Wirksamkeit der Wärmedämmung: (2) Heizenergieverbrauch sehr gering

Link zu Beleg 3 zur Wirksamkeit der Wärmedämmung: (3) Außenthermographie Altbaudämmung

Link zu Beleg 4 zur Wirksamkeit der Wärmedämmung: (4) Verbrauchsmessung gedämmter Altbau

Anmerkungen:

¹) Manchmal wird Kritik an der stationären Berechnung (der U-Wert-Rechnung) der Wärmeleitung geübt. Auf der Seite "Wärmedämmen oder Wärmespeichern" wird diese Frage genauer diskutiert. Hier soviel vorab: Der U-Wert hat sich tatsächlich als die entscheidende Größe für den Wärmeverlust erwiesen. Die gebauten und funktionierenden Passivhäuser sind der beste Beleg dafür: Sie brauchen nämlich wirklich kaum noch Heizenergie (Verbrauch von Passivhäusern in der Praxis).

²) Warum schreiben wir hier nicht bewiesen sonderm 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, das zunächst unbewiesene Sätze (sog. Axiome) zugrunde gelegt werden. Diese Axiome werden in der Mathematik einfach gesetzt.

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 stand gehalten. 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 erweisen haben.

Link zu Informationen zum Passivhaus: Passivhaus-Grundlagen.

Link zur Homepage der Passivhaustagung: Passiv Haus Konferenz.

Link zur Homepage des Passivhaus Institutes:

(aktualisiert 01.11.2006 Autor: Dr. Wolfgang Feist 
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