Energie & Isolierungstechniken an Gebäuden

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Das Wichtigste in Kürze

Rund 30 % der verbrauchten Energie wird für das Heizen von Gebäuden genutzt. Dies schreit schon nach einem riesigen Einsparpotential. Zudem ist heizen meist mit einem Verbrennungsvorgang verbunden, sprich das geht auch in die CO₂-Bilanz nieder. Deutschlands Ziel ist es, bis 2050 Treibhausgas neutral zu werden. Dafür braucht es clevere Sparmaßnahmen, um diese Ziele zu erreichen. Einige davon wirst du nun kennenlernen! 

Wärmestrom

Um im Winter eine konstant warme Raumtemperatur zu haben, muss man den Wärmestrom nach draußen verhindern. Im Sommer will man jedoch nicht zu viel warme Luft von draußen, da es sonst zu heiß wird. Antreiber dieses thermischen Energieflusses ist die Temperaturdifferenz zwischen Innen und Außen. Der Wärmestrom beschreibt die Wärmemenge, die pro Zeiteinheit durch einen bestimmten Stoff transportiert wird. Dabei spielt Wanddicke, Baumaterial und Isolierung eine wichtige Rolle. Bei der Isolierung steht im Fokus, dass nichts hinausgeht, bei der Wärmeschutzverglasung hingegen, dass keine Wärme in Form von Strahlung hineingeht.

Der Wärmestrom ist physikalisch gesehen eine Leistung, welche eine Formel besitzt:

​$$P=\lambda \cdot A \cdot \dfrac{\Delta T}{d}$$

Dieser Wärmekoeffizient ist bei jedem Material unterschiedlich und soll natürlich so tief wie möglich sein. Je nach Umgebungstemperatur ist der Koeffizient auch leicht anders. Dabei gilt, je größer die Temperatur, desto besser die Wärmeleitfähigkeit. Hier einige Beispiele:

Man sieht also, das Baumaterial, beziehungsweise die Dämmstoffe, haben einen starken Einfluss. Jedoch kann man den Baustoff nicht nur aufgrund des Wärmekoeffizienten wählen, Faktoren wie Stabilität oder Design spielen natürlich auch eine große Rolle.

Eine gute Wärmedämmung ist die Basis des Energiesparens, doch es gibt noch weitere Sparmöglichkeiten. Beispielsweise moderne Isolierfenster verringern den Energiebedarf erheblich. Was hingegen enorm viel Energie braucht ist, wenn es im Haus „zieht“. Allgemein solltest du schauen, dass du in kalten Jahreszeiten nur kurz stoßlüftest und die Fenster nie lange am Stück offen bleiben. 

Eine Hauswand hat immer eine Isolierung. Daher geht der Wärmestrom durch zwei Materialien hindurch, weshalb man die Formel anpassen muss. Hier funktioniert es wie beim Strom. Passiert der Wärmestrom zwei Materialien hintereinander ist es wie bei einer Reihenschaltung. Hier die vereinfachte Formel: 

​$$P=\Delta T \cdot A \cdot \dfrac{1}{(\dfrac{d_1}{\lambda_1}+\dfrac{d_2}{\lambda_2})}$$

Muss der Wärmestrom zwei nebeneinander angebrachte Dämmstoffe passieren, ist es wie bei einer Serienschaltung. Hier die vereinfachte Formel:

​$$P = \Delta T \cdot (\dfrac{\lambda_1 \cdot A_1}{d_1} + \dfrac{\lambda_2 \cdot A_2}{d_2})$$

Eine weitere Einsparmöglichkeit, wahrscheinlich die offensichtlichste, ist es, die Raumtemperatur zu senken. Eine Reduktion von $$23 \degree$$ auf $$20\degree$$ vermindert den Energiebedarf um 18 % ! ​

Beispiel:​

Berechne den Wärmestrom für eine $$18\,cm$$ dicke Ziegelwand, die zur Isolierung mit einer $$9\,cm$$ dicken Polyethylen-Schicht versehen wurde. Man betrachtet eine Wandfläche von $$15\,m^2$$. Die Innentemperatur beträgt $$20\degree$$C während es draußen $$3\degree$$C kalt ist.

Gegeben:

 $$d_1 = 0{,}18\,m, d_2 = 0{,}09\,m, A= 15\,m^2, T_1= 20\degree C, T_2 = 3\degree C,\\ \lambda_1 = 0{,}40\,\dfrac{W}{m\cdot k}, \lambda_2= 0{,}040\,\dfrac{W}{m\cdot k}$$​

Gesucht: $$P=?$$​​

Lösung: 

Schritt 1: $$\Delta T$$ berechnen: 

$$\Delta T = T_2 - T_1 = 3\degree C - 20\degree C = -17\degree C$$​​

Schritt 2: Alles einsetzen in die Formel für Wärmestrom durch zwei Schichten:

​$$\begin{align}P & =\Delta T \cdot A \cdot \dfrac{1}{(\dfrac{d_1}{\lambda_1}+\dfrac{d_2}{\lambda_2})} \\P & =-17\degree C \cdot 15\,m^2 \cdot \dfrac{1}{(\dfrac{0{,}18\,m}{0{,}4}+\dfrac{0{,}09\,m}{0{,}04})}\\P & \approx -94{,}4\,W \\\end{align}$$

Somit findet hier ein Wärmestrom von etwa 94 Watt statt, der nach außen fließt (daher das negative Vorzeichen, denn $$T_1$$ wurde als „innen“ definiert).

Tipp: Bei den Berechnungen musst du die Temperaturen nicht in Kelvin umformen. Da du hier mit $$\Delta T$$ rechnest ist es egal, ob du in Kelvin oder Celsius rechnest, das Ergebnis ist dasselbe. Achtung, das gilt nicht für normale Temperaturen, sondern nur für die Temperaturdifferenz!