Energieeinsparverordnung und Massivbauweise

Erreichen des Ziels der energetischen Gebäudesanierung nach § 24, 2 der ENEV (durch „andere als in der VO vorgesehene Maßnahmen“):

  • Kontinuierliche Beheizung der Gebäudehülle („Temperierung“) - Abdichtung der Altfenster – Fensterlüftung
    statt
    Wärmedämmung der Gebäudehülle - Beheizung der Luft der Einzelräume - hermetische Neufenster – Lüftungsanlage

1. „Heizen“ (1.1) / „Temperieren“ (1.2)

1.1 „Heizen“

Beim „Heizen“ findet die Beheizung der Luft der Räume bei Bedarf statt.
Nach offizieller Anschauung besteht die Aufgabe des Heizens darin, während der Raumnutzungszeiten die Raumlufttemperatur zu erhöhen. Diese Betriebsweise ignoriert den Baukörper als Energiespeicher und verursacht physikalisch bedingt einen erhöhten Energiebedarf (s. u.), neben zahlreichen anderen Mängeln. Obwohl in der Heizperiode die gesamte Fläche der Außenwand Wärme benötigt, wird diese meist nur an einem Punkt angeboten (Heizkörper unter Fenster). Außenwände ohne Fenster erhalten in der Regel keinen Heizkörper. Man geht davon aus, dass die dort benötigte Wärmemenge ihr Ziel erreicht durch die Luftumwälzung im Raum, die wiederum durch die Luftaufheizung im Heizkör- per hervorgerufen wird. Während die erwärmte („leichtere“) Luft aus dem Heizkörper nach oben zur Decke steigt, strömt die auf dem Weg durch den Raum abgekühlte („schwerere“) von vorn unten über die Bodenfläche nach. Die Raumluftmasse und mit ihr der Staub werden also ständig umgewälzt.

1.1.1 Physiologische Nachteile der „Luft“-Heizung

Neben der Verstaubung der Raumschale werden Zugerscheinungen verursacht, die auch bei „ausrei- chend hoher“ Raumtemperatur (20°C) den Wunsch nach mehr Heizleistung wecken. Im oberen Teil des Raumes, ab Kopfhöhe (Nase!), ist die Lufttemperatur stark erhöht. Dadurch wird die Behaglich- keit weiter verringert: Im Körper laufen ständig Verbrennungsvorgänge ab („Stoffwechsel“), wozu aber ständig durch Atmen Sauerstoff neu aufgenommen und Kohlendioxid abgegeben werden muss. Wegen der minimalen Toleranz des Körperkerns gegen Temperaturanstieg (37 +/- 0,5 °C) muss die dabei entstehende Wärme ebenso kontinuierlich abgegeben werden. Bis zur Erfindung der „Luft“- Heizung geschah dies überwiegend über die Lunge beim Ausatmen, da die mit der Raumluft in Berüh- rung befindliche innere Oberfläche von ca. 100 m2 bei „Strahlungsklima“, durch z.B. 20 °C kühle Luft, ausreichend gekühlt wird. Bei „Luft“-Heizung dagegen kehrt sich die Wärmetauschfunktion der Lun- ge von Kühlung zu Heizung um, so dass an der (durch die Kleidung „gedämmten“) Haut, an der mit ca. 2,5 m2 40-mal kleineren Körperoberfläche, neben der Stoffwechselwärme auch die aufgenommene Heizwärme abgegeben werden muss. Dies gelingt nur mit weiter gestellten Hautgefäßen und größerer Pumpleistung des Herzens, unter Hilfestellung der Schweißdrüsen (Verdunstungswärme-Abgabe), also unter vermeidbarer Kreislaufbelastung bei völligem Verlust von Behaglichkeit.

1.1.2 Energetische Nachteile der „Luft“-Heizung

Da die Temperatur der Luft im oberen Teil des Raumes um bis zu 20 Grad über der mittleren Wand- temperatur liegt, entstehen hohe Wärmeverluste auf dem Luftweg (interne Verluste: Wärmestau unter der Decke bzw. Warmluftaustritt in das Treppenhaus; externe Verluste durch Fugen und Öffnungen, Kippfenster). Die Oberflächen der Außenwände sind nicht gleichmäßig warm. Die Wandbereiche, die kälter als die Raumluft sind, haben einen erhöhten hygroskopischen Feuchtegehalt oder sind sogar feucht durch Kondensation. Nachtabsenkung und Betrieb „nach Bedarf“ verstärken die Wandfeuchte. Erhöhte Verluste durch Wärmeleitung sind die Folge. Da diese Betriebsweise üblich ist, basiert der offizielle U-Wert, der als Konstante gilt (ohne Berücksichtigung physikalischer Effekte der Art der Wärmeverteilung), auf der generellen Annahme von 80 % rel. Luftfeuchte an der Bauteilinnenseite und der daraus folgenden Ausgleichsfeuchte im Baustoffgefüge („praktischer Feuchtegehalt“), obwohl eine solch hohe Materialfeuchte bei „Wandheizung“ unmöglich ist, die Art der Wärmeverteilung für den Wärmebedarf also eine große Bedeutung hat.

1.1.3 Schimmel und „Luft“-Heizung

Die höhere Materialfeuchte verursacht neben besserer Staubhaftung auch lokale Schimmelbildung. Schimmel an Außenwänden tritt aber nur dort auf, wo sie kälter als die Raumluft sind. Abgesehen von erdberührten Bauteilen (s. 1.2) ist dies nicht im Sommer, sondern nur im Winter bei konventioneller Heizung der Fall. Schimmel ist also nicht – wie immer wieder zu hören – Folge einer mangelhaften („zu gering gedämmten“) Gebäudehülle oder eines falschen Nutzerverhaltens („ungenügendes Lüf- ten“), sondern - wie die oben angesprochenen Mängel - Folge der physikalisch unsinnigen Art der üblichen Raumbeheizung: Verteilung der Wärme nicht zwingend an den Außenwandoberflächen der Räume, sondern durch freie Konvektion über das gesamte Raumvolumen.

1.1.4 Erhöhter Energiebedarf bei freier Konvektion

Trotz dieser Tatsachen gibt es in keiner Fassung der anlässlich der Ölkrise 1971 formulierten Wärme- schutz- bzw. Energieeinsparverordnung einen Hinweis darauf, dass der Energiebedarf bei freier Kon- vektion stark erhöht ist und bereits die Änderung der Wärmeverteilung (Beheizung der Wandoberflä- chen anstelle der Raumluft) die Heizwärmeverluste stark verringern würde, unabhängig vom Nutzer- verhalten. Dabei hatte sich in den 1960er Jahren auch in Deutschland - wie 20 Jahre zuvor in den USA – gezeigt, dass bei Sockelleistenheizung (Warmluftauftrieb vom Sockel her auf ganzer Wandlänge bei an die Wand gebundener Konvektion) der Wärmebedarf geringer als bei „Luft“-Heizung war. Wegen des geringen Ölpreises gewann dies bis zur Ölkrise keine Bedeutung.

Selbst nach 1971 fand dieser Aspekt, den Wärmebedarf durch Verbesserung der Wärmeübertragung zu verringern, keinen Eingang in die Überlegungen zur Energieeinsparung. Inzwischen hatte sich die (bei offener Steigrohrverlegung leichter zu montierende) Heizkörperheizung durchgesetzt, deren brüs- tungshohe Konvektoren keinen Zweifel an der Leistungsfähigkeit aufkommen lassen. Stattdessen wurde mehrfach die „erforderliche“ Stärke der Wärmedämmung erhöht, was allein schon als Hinweis auf den Ansatzfehler der Wärmebedarfsberechnung nach DIN zu werten ist. Dieses Dilemma wird in der Fachliteratur bereits am Ende der ersten Dekade der Wärmeschutzverordnung (Hauptmaßnahme zur Energieeinsparung: Wärmedämmung) angesprochen (s. u.).

Der geringere Wärmebedarf bei Sockelleistenheizung weist auf die physikalische Tatsache hin, dass Luft, die zu einer effizienten Wärmeübertragung eingesetzt werden soll, wegen der Thermik geführt werden muss, um die zu versorgenden Flächen – und nur diese – zu erreichen und so Übertragungs- verluste zu vermeiden. Wärmestrahlung dagegen erreicht ihr Ziel stets direkt, sei es den Raumbewoh- ner (Strahlung der durch Auftrieb erwärmten Wandoberfläche) oder die Außenwand (Strahlung der Kachelofenoberfläche, die ihr gegenüber angeordnet ist).

1.2 „Temperieren"

Beim „Temperieren" findet die kontinuierliche Beheizung der Gebäudehülle, also der Außenwandso- ckel aller Stockwerke, statt. Diese alternative Methode der Raumbeheizung wurde in den 1980er Jah- ren von der Landesstelle für die nichtstaatlichen Museen beim Bayerischen Landesamt für Denkmal- pflege auf der Basis der Erfahrung mit Hypokausten-Wandschalen und Sockelheizleisten entwickelt, zunächst nur zur Vermeidung der Nachteile der „Luft“-Heizung. Dabei wurden immer mehr Effekte der Beheizung der Gebäudehülle erkannt. Zugleich konnte der Installationsaufwand immer weiter verringert werden.

Die vielfältigen Wirkungen der Methode basieren auf der kontinuierlichen Beheizung des Gebäudes bzw. auf dem ständigen Ausgleich der Wärmeverluste, dort wo sie auftreten. Zur Ausschaltung der aufsteigenden Feuchte betrifft dies in Kellern bzw. in nicht unterkellerten Erdgeschossen alle Sockel, in Obergeschossen nur die Sockel der Außenwände. Die Betriebszeit beschränkt sich in Obergeschos- sen auf die Heizperiode, während in Räumen in Hanglage und in Kellern ganzjähriger Betrieb erfor- derlich ist: Da diese Räume im Gegensatz zu den oberirdischen keine solare Zustrahlung erhalten, würden sie nach Abschalten im Frühjahr nicht nur für die Wohnnutzung zu stark abkühlen, sondern auch in Hinblick darauf, dass während der Sommermonate die absolute Luftfeuchte (Wasserdampf- menge im cbm Luft) stark ansteigt. Wegen der geringen Raum- und Materialtemperatur (z.B. kleiner 19°C) würden sich im Sommer dort zu hohe Werte der relativen Luft- und Materialfeuchte einstellen, mit der Folge von Schimmel- und Algenbildung sowie Schadsalz-Migration.

In nicht unterkellerten EGs freistehender Gebäude verbessert sich dank der Trocknung der Außen- wandsockel während der Heizperiode die Wärmeakkumulation aus der solaren Zustrahlung, so dass während der Sommermonate nur ein geringer bzw. oft gar kein Heizwärmebedarf besteht.

1.2.1 Einfaches Konstruktionsprinzip

Seit 1990 werden in Gebäuden mit 50 cm Wandstärke oder mehr nur noch 2 fingerstarke Heizrohre (Vor- und Rücklauf) knapp über dem Bodenbelag übereinander mit einer Doppelschelle, die Wand- kontakt herstellt, montiert, entweder sichtbar auf Putz (angestrichen) oder oberflächennah unter Putz, im Wandschlitz von ca. 3 cm Tiefe (max. 1,5 cm Rohrüberdeckung). In Fensternischen wird der Rück- lauf hutförmig so geführt, dass er auf ganzer Länge der Fensterbank in Kontakt mit dieser kommt. Dabei kann er einen Umweg in Form eines Registers machen, so dass z.B. 4 Rohre auf der Brüstung liegen (durch 2 Umwege des obersten Rohres an der Fensterbank + 1. Rohr direkt über der Sockelleis- te). In Gebäuden mit Wandstärken unter 50 cm wird von der Sockelschleife (z.B. Ø18 mm), die über mehrere Räume einer Fassade gehen kann, pro Raum eine 3. Leitung (Ø 15 mm) abgezweigt, die das Brüstungsregister bildet und getrennt regelbar ist. Vorlauftemperaturen unter 50 °C werden möglich, wenn von der Sockelschleife eine Brüstungsschleife (V + R) abgezweigt wird, deren Rücklauf in den Fensternischen registerartige Umwege macht. Die Grundschleifen können von einem Steigstrang ab- gezweigt werden, der in einem Trennwandschlitz direkt an der zugehörigen Außenwand ungedämmt eingemörtelt ist (Putzstärke 2 cm). Wegen des Wärmestaus ist der Wärmeverlust minimal, die Wärme- strahlung aus der Raumecke aber willkommen.

Die Regelung der „Grundschleifen“ erfolgt über Rücklauftemperaturbegrenzer (am Ende der Rohr- strecke), während die der 3. Leitungen bzw. die „Sekundärschleifen“ durch einfache Heizkörperther- mostate im Einzelraum erfolgen kann. Unterputzkästen sind nicht erforderlich: Das Einputzen der Schraubverbindungen ist unschädlich, der Putzschaden beim nur ausnahmsweise erforderlichen Wech- sel des Ventilunterteils ist minimal. Eine evtl. nötige Entlüftung einer Schleife erfolgt nicht durch Spü- len mit Frischwasser, sondern durch Abstellen der Ventile der übrigen Schleifen des Geschosses und der Lenkung des vollen Pumpendrucks auf die blockierte Leitung. Ein Gasabscheider im Hauptvorlauf hinter dem Wärmeerzeuger ist sinnvoll. Hinter der Einbindung des Rücklaufs der letzten „3. Leitung“ bzw. Sekundärschleife wird eine Rücklaufverschraubung in den Rücklauf der Grundschleife gesetzt, deren Kappe aus dem Putz herausschaut. Hiermit kann der Querschnitt der Grundschleife lokal gering- fügig verringert werden, so dass die Nebenkreise sicher durchströmt werden. Wird sie geschlossen, ergibt sich die Zwangsspülung der Nebenkreise ohne Frischwasser.
Bei Verwendung von Thermostaten an allen Schleifen ist ein statischer „Massenstromabgleich“ (durch Regulierventile und Tacosetter) nicht erforderlich, da sich durch die Thermostate ein dynamischer Abgleich ergibt. Die Grundschleifen können daher direkt von den Steigleitungen unter Putz abge- zweigt werden. Verteilerkästen sind entbehrlich.

Zur Kellersanierung genügt meist pro Grundrisshälfte je 1 Rohr entlang der Außenwände (je einmal „rechts herum und links herum“ durch Trennwandbohrungen geführt), dessen Rücklauf jeweils vom Treffpunkt der Vorlaufstrecken über alle Trennwandsockel zurückgeführt wird. Dabei wechselt das Rohr durch die Bohrungen jeweils auf die andere Wandseite, so dass die Trennwände beidseitig je ein Rohr erhalten. In Kellergeschossen mit höherer Nutzung kann „rechts herum und links herum“ an den Außenwandsockeln je eine Heizrohrschleife (Vor- und Rücklauf) bis zum „Treffpunkt“ geführt wer- den, die durch eine Leitung beidseitig aller Trennwandsockel ergänzt wird (Regelung durch je einen Rücklauftemperaturbegrenzer am Ende der Rohrstrecken).

1.2.2 Konstruktionsbedingte Wirkungen

Bei kontinuierlichem Betrieb entsteht am Wandsockel ein Wärmestau, der die aufsteigende Feuchte und die Wirkung der Schadsalze ausschaltet. Die Oberfläche des erwärmten Sockelputzstreifens bzw. der aufliegenden, angestrichenen Rohre gibt Wärmestrahlung in den Raum ab und erzeugt einen Warmluftauftrieb, der auf die übrige Wandfläche einwirkt, ihre Oberfläche erwärmt und jegliche Kon- densation und Schimmelbildung verhindert. Bei einer derartigen „Wandheizung“, die kontinuierlich auf die ganze Wandfläche zielt, ist die Temperatur des Einzelraumes in der Heizperiode Folge der Temperierung seiner zur Gebäudehülle gehörigen Außenwand (Außenwände), analog der „Temperie- rung“ von außen, die in jedem Sommer durch Speicherung der am Tage auf die Gebäudehülle einwir- kenden diffusen und direkten Einstrahlung stattfindet. So war es schon vor 2000 Jahren bei der römi- schen Hypokausten-Wandheizung, die „auch in Germanien“, bei – 20 °C Außentemperatur und einer Wassertemperatur von 45 °C in den Großbecken der Baderäume, jegliches Kondensat unmöglich machte.

Wegen der durch die Randbeheizung des Grundrisses und die Zustrahlung von den übrigen Raumhüll- flächen verbesserten Akkumulation der Erdwärme stellt sich an nicht wärmegedämmtem Bodenflä- chen stets die jeweils angestrebte Raumtemperatur ein. Der Aufwand einer Fußbodenheizung, die zur Raumbeheizung physikalisch ungeeignet ist, ist daher zur Temperierung des Bodens nicht zu rechtfer- tigen. In Baderäumen oder in Wohnräumen mit mineralischem Bodenbelag wird dies bereits durch einen Umweg der Trennwandringleitung im Verlegemörtel der Bodenplatten erreicht. Der Wärmestau im trocknenden Material der Tragschicht erübrigt die Wärmedämmung und die Feuchtesperre

1.2.2.1 Lüften

Da die Konvektion (der Warmluftauftrieb) auf die Wandflächen beschränkt ist, verursacht das Heizen keine Aufheizung und Umwälzung der Raumluft, damit auch keine Zugerscheinungen. Konservato- risch und energetisch bedeutend ist, dass daher sowohl kein Staub umgewälzt wird, als auch wegen des geringeren Austauschs der Raumluft durch winterlich trockene Außenluft (geringer natürlicher Luftwechsel) eine günstigere rel. Luftfeuchte herrscht bzw. in Museen in der Heizperiode ein geringe- rer Befeuchtungsbedarf entsteht. Wegen des geringen Wärmeinhalts der nicht beheizten und nicht als Heizmedium dienenden Raumluftmasse ist der Wärmeverlust bei Fensterlüftung gering und in Wohn- räumen eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung nicht zu rechtfertigen.

1.2.2.2 Kellersanierung

Wegen der Energieeinspareffekte (s. 1.2.3) ist es sinnvoll, in Räumen unter Erdoberfläche - anstelle der konventionellen Maßnahmen (Außenisolierung, Bodendämmung mit schwimmendem Estrich, Sanierputz, Heizkörper- oder Fußbodenheizung und Betrieb von Luftentfeuchtern) - die Funktionen dieser Maßnahmen wie auch die sowohl für Lagerung, als auch für Personennutzung notwendige Sommertemperierung (s. 1.2) nur durch Sockelbeheizung anzustreben, da alle Wirkungen als physika- lische Effekte der alternativen Wärmeverteilung bei geringem Energieeinsatz eintreten: Bei Nutzung von ganz im Erdreich steckenden Kellerräumen ausschließlich zu Lagerzwecken kann von einer Jah- res-Dauerleistung von 0,5 - 1,0 kW je nach Größe des Gesamtkellers ausgegangen werden (400 - 800 l Öl/a). Dagegen verstärkt der auf die Vermeidung von Schimmel und Feuchteschäden zielende Betrieb von Heizkörpern und/oder Luftentfeuchtern – durch Verstärkung der Wasserverdunstung aus dem Kapillarraum in den Innenraum – die Wandschäden durch Schadsalzausblühung, bei ähnlichem Energiebedarf.
Bei Wohnnutzung solcher Räume ist jedoch nur der halbe Wärmebedarf zu betrachten, da die Räume im Winter beheizt werden müssen und die Sockelheizrohre dann neben der Sanierung die Deckung des Grundwärmebedarfs leisten (nur geringe Zusatzleistung erforderlich, z.B. durch Strahlplatten oder Brüstungsschleife). Darüber hinaus verringert sich der Wärmebedarf in der Heizperiode durch die „Sommertemperierung“. Durch sie wird nämlich eine nachhaltige „U-Wert-Verbesserung“ erreicht wird, so dass der Gesamtverbrauch unter dem von konventionell und nur in der Heizperiode beheizten Massivbauten liegt.

1.2.3 Geringere Anlagengröße bei Temperierung dank optimierter Wärmeübertragung

Im Vergleich zu konventionellen Verfahren der Wärmeverteilung wie Heizkörper- oder Fußbodenhei- zung ist der Bedarf an Heizelementen und Technik bei Temperieranlagen gering: Keine Heizkörper, geringer Regelaufwand mit wenigen Thermostaten; außerhalb des Heizkellers können auch die Haupt- leitungen, im Boden an Trennwandsockeln verlegt, zur Sanierung und Temperierung eingesetzt wer- den; auch in hohen Räumen sind 1 bis 2 Schleifen (2 bis 4 Rohre) am Sockel ausreichend, anstelle von Rohrregistern, die mit geringem Rohrabstand raumhoch auf größeren Wandflächen oder über die ge- samte Bodenfläche verlegt sind.
Ohne Modifikation ergeben Wärmebedarfsberechnung und Computer-Simulation einen höheren Be- darf an Heizrohren als in der Praxis erprobt. Wird die Simulation einer realen Anlage unmodifiziert durchgeführt und von Messungen begleitet, liegen die für die Außenwände berechneten Oberflächen- temperaturen um bis zu 3 Grad tiefer als die gemessenen.
Die falschen Ergebnisse, nach denen jedoch in der Regel geplant wird (so dass „Wandheizungen“ überdimensioniert werden und ihren Kostenvorteil einbüßen), beruhen darauf, dass die Berechnung nicht berücksichtigt, dass der Wärmeverlust eines Raumes mit Wandheizung deutlich geringer ist als der bei Beheizung mit freier Konvektion:

  • Die Höhe des als Basis der Berechnung genutzten U-Werts beruht auf der Annahme, dass der Feuchtegehalt eines realen Bauteils, der „praktische Feuchtegehalt“, eine vom Heizsystem un- abhängige Baustoffeigenschaft sei. Eine direkt beheizte Wand ist aber trocken!
  • Auch der Lüftungswärmeverlust kann nicht für alle Heizsysteme gleich sein: Beim Lüften ei- nes Raumes mit Wandheizung „zieht es nicht“. Dies zeigt, dass der natürliche Luftaustausch – und mit ihm die Energieverluste auf dem Luftweg – erheblich geringer ist als bei luftheizen- den Systemen!

1.2.4 Energieeinsparung bei Temperierung erfüllt § 24 (2) EnEV

Gebäude, deren energetische Sanierung sich beschränkte auf Reparatur und Abdichtung der Fenster und Außentüren und auf den Einbau einer Temperieranlage als Heizung (Raumtemperaturen von 20 °C), haben einen Jahres-Heizwärmebedarf von ca. 16 - 30 kWh pro m3 im Jahr (Kubaturbedarf), je nach dem Verhältnis der wärmeübertragenden Flächen (Gebäudehülle) zum umbauten Volumen (A/V- Verhältnis). Nur durch den Bezug auf die Kubatur sind Gebäude mit verschiedenen Raumhöhen ver- gleichbar. Die offiziellen Angaben jedoch beziehen den Bedarf auf die beheizte Grundfläche. Dies ist bis zu einer Raumhöhe von 2,60 m zulässig. Dividiert man den Flächenbedarf durch 3,12 (2,6 m + Deckenstärke), so erhält man den Kubaturbedarf. Multipliziert man damit umgekehrt den Kubaturbedarf von Gebäuden mit Temperierung (statt konventioneller „Luft“-Heizung), so ergeben sich Werte von 50 bis 93 kWh pro m2 und Jahr. Dies entspricht einem auf diese Raumhöhe bezogenen, mit dem A/V-Verhältnis steigenden „Öläquivalent“ von 5 - 7 Liter pro m². Derartige Zahlen sind nach offizieller Anschauung nur durch Wärmedämmung, Neufenster, eine neue Heizanlage und eine Lüf- tungsanlage statt Fensterlüftung zu erreichen - bei beliebiger Art der Wärmeverteilung.
Dichte Kasten- oder Wagnerfenster und natürliche Lüftung vorausgesetzt, löst die Temperierung also auf physikalischem Weg allein die Aufgabe der „energetischen Gebäudesanierung“. Sie stellt entspre- chend dem § 24, Absatz 2 der Energieeinsparverordnung eine sog. „andere als in dieser Verordnung vorgesehene Maßnahme“ dar, mit der „die Ziele dieser Verordnung im gleichen Umfang erreicht wer- den“, so dass „die nach Landesrecht zuständigen Behörden auf Antrag“ befreien können von den kos- tenträchtigen und das Bild des Gebäudes verändernden Maßnahmen. Für die Sanierung von Bestands- bauten ist dies nicht nur für die Gebäude selbst ökonomisch bedeutend, sondern generell für die Denkmalpflege, da die Erscheinungsform der „gebauten Geschichte“ nicht mehr durch Außendäm- mung gefährdet ist. Trotz dieser physikalischen Tatsachen gelang es der deutschen Denkmalpflege in der Anhörung 2007 lediglich, für eingetragene Baudenkmäler (1 % des Bestandes!!) eine Befreiung von der Vorschrift – gemeint ist die Energieeinsparung durch Wärmedämmung – zu erwirken.

2. Wärmebedarf / Wärmeübergangswiderstand / Wärmeleitfähigkeit / U-Wert / Wärmespeicherung

Die „Heizsysteme“, besser die Methoden der Wärmeverteilung, sind aus physikalischer, energetischer und physiologischer Sicht nicht gleichwertig. Um sie dennoch „politisch korrekt“ gleichsetzen zu können, sind die beiden schon angesprochenen Annahmen erforderlich: „Die Raumlufttemperatur unterscheidet sich bei allen Heizmethoden nur unerheblich“ und „Außenbauteile haben einen materialtypischen, durch Beheizung nicht änderbaren U-Wert“. Diese Annahmen sind jedoch physikalisch nicht zulässig. Entsprechend unverständlich ist also der bis heute in Lehre und Praxis des Heizungswesens geltende Satz „Der Wärmebedarf eines Gebäudes ist eine Gebäudeeigenschaft. Das Heizsystem hat darauf keinen Einfluss“. Die Wärmebedarfsberechnung nach DIN berücksichtigt also nicht die Vorteile der Wandheizung. Dieser Irrtum bedeutet für Staat, Kommunen und den „Häuslebauer“ beträchtliche Mehrausgaben, die bei „angewandter Physik“ vermeidbar wären.

2.1 Wärmebedarfsberechnung

Die Grundform der Berechnungsformel wurde in den 1930er Jahren für die Heizkörperheizung („Luftheizung“) entwickelt. Die heutige Form entstand im Wesentlichen in den 1950er Jahren, indem die alte durch den Faktor „Wärmeübergangswiderstand“ ergänzt wurde, der die schlechte Übertragung von Wärme von Festkörpern an Gase und umgekehrt erfassbar zu machen versucht (innen: Übertragung von Wärme an die Innenseiten der Außenwände mit aufgeheizter Luft; außen: Wärmeübertragung von den Außenseiten der Außenwände an die Außenluft). Diese Größe ist im Innenraum bei kontinuierlichem Warmluftauftrieb an der Wandoberfläche (z.B. bei Sockelleistenheizung) und bei Wärmestrahlung (Grundofen) irrelevant. Auch außen ist die Einführung der Größe nicht weiterführend. Die Wärmeabgabe der Mauerflächen eines Gebäudes geschieht überwiegend durch zwei Effekte: a) durch Strahlung, deren Stärke ausschließlich von der Oberflächentemperatur abhängt, und b) durch Wasserdampfkonvektion aus dem Porenraum, die bei direkter Beheizung der Gebäudehülle ausgeschaltet ist. Bereits in den 1940er Jahren wurde die offizielle Formel durch die geringen Verbrauchszahlen der in den USA aufgekommenen Sockelleistenheizung widerlegt. Wegen des extrem geringen Ölpreises fand dies keine Beachtung. Trotz des drastischen Anstiegs der Energielosten als Folge der Energiekrise von 1971

Auch die seit Ende der 1980er Jahre in Gebäuden mit Temperierung festgestellten niedrigen Heizwärmebedarfswerte (s. 1.2.2.) bestätigten den Einfluss der Wärmeverteilung auf beide Verlustarten. Die Missachtung dieses Zusammenhangs hält bis heute an.

Bei ganzflächiger, kontinuierlicher Wandheizung werden die Wärmeverluste dreifach verringert.

  • Der an Fugen und Öffnungen durch Luftwechsel auftretende Verlust verringert sich, da die Raumluft nicht als Heizmedium aufgeheizt wird.
  • Der durch Wärmeleitung in den Außenbauteilen entstehende Verlust verringert sich durch Verbesserung des U-Werts als Folge von Materialtrocknung und Ausschaltung von Kondensat und aufsteigender Feuchte („Dämmen durch Heizen“).
  • Da die Luft bei Temperierung nicht durch Thermik im Raum bewegt wird, entfallen beide Gründe für Zug (heizbedingte Luftumwälzung, durch hohe Lufttemperatur bedingter erhöhter Fugenluftwechsel), so dass Behaglichkeit bereits bei geringeren Raumtemperaturen als bei konventioneller Raumbeheizung eintritt.

2.1.1 Lüftungswärmebedarf

Bei Wandheizung liegt die Lufttemperatur im der oberen Raumhälfte, da sie auch dort der mittleren Wandtemperatur entspricht, um bis zu 20 Grad unter der, die dort bei „Luft“-Heizung (Heizkörper) herrscht. Der Fugenluftwechsel der Fenster und Außentüren (a-Wert) ist aber nicht nur abhängig von der Länge und Stärke der Fugen der geschlossenen Öffnungen, sondern auch von θi, der inneren Lufttemperatur und dem von dieser abhängigen Druck der Raumluft. Beides ist bei Wandheizung deutlich geringer als bei „Luft“-Heizung. Der Luftwechsel ist daher bereits physikalisch verringert. Altfenster (Kasten- oder Wagnerfenster) müssen also nicht ersetzt werden, sondern es genügt, sie zu reparieren und abzudichten. Die Festlegung eines für alle Heizverfahren gleichen Luftwechsels von 0,5 Raumvolumen pro Std. – wie nun für die Berechnung von „energetisch sanierten“ Gebäuden „vorgeschrieben“ - ist sinnlos: Bei speicherfähiger Bausubstanz mit Temperierung ist die gesamte erzeugte Wärme Bestandteil des Baukörpers, während bei „Luft“-Heizung ein großer Teil als warme Luft unter der Decke hängt, ins Treppenhaus entweicht bzw. beim Lüften ungenutzt verloren geht. Offiziell ist der Lüftungswärmeverlust nur durch hermetische Dichtheit der Gebäudeöffnungen in Verbindung mit einer Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung zu verringern, unabhängig vom Heizsystem, also unabhängig davon, ob die Wärme Bestandteil der Gebäudemasse ist oder sich überwiegend „in der Luft“ befindet. So wird der Lüftungswärmebedarf konsequent auch nur als die Wärmemenge definiert, die benötigt wird, um die eindringende Kaltluft zu erwärmen, nicht aber – wie es bei „Luft“-Heizung ist - auch als die zum ständigen Ersatz der verlorenen Heizluft nötige Wärmemenge. Bei Wandheizung aber ist gerade dieser Verlust vernachlässigbar, da die nicht aufgeheizte Raumluft ja nur einen geringen Wärmeinhalt hat.

2.1.2 Transmissionswärmebedarf

Generell ist die heute übliche energetische Bewertung von schwerer, wärmespeichernder Bauweise falsch. Dies wird bereits deutlich, wenn man die auf unterschiedliche Sanierungsgrade bezogenen Verbrauchsangaben der Deutschen Energie Agentur (dena) und des Energieausweises mit gemessenen Jahresverbräuchen unsanierter, konventionell beheizter Massivbauten vergleicht. Ein Mehrfamilienhaus in München z. B., Baujahr 1900, mit ungedämmten, 50 cm starken Vollziegelwänden (Rohdichte 2,0), Kastenfenstern ohne Dichtung und mit Gas-Einzelöfen hat einen mittleren 3-Jahresverbrauch von 131 kWh/m2. Nach diesen offiziellen Quellen gilt ein solcher Wert für einen Neubau nach EnEV-Standard.

2.1.2.1 U-Wert = Laborwert

Dass der U-Wert nur ein „Laborwert“ ist, kann man aus der Fachliteratur entnehmen:
Hauser, der seit der Energiekrise die Wärmedämmung als die entscheidende Energieeinspar-Maßnahme propagiert, schrieb 1981 in „Der k-Wert im Kreuzfeuer – Ist der Wärmedurchgangs-Koeffizient ein Maß für Transmissionswärmeverluste?“: „Der k-Wert (heute U-Wert) eines Bauteils beschreibt dessen Wärmeverlust unter stationären, d. h. zeitlich unveränderlichen Randbedingungen. Die Wärmespeicherfähigkeit und somit die Masse des Bauteils geht nicht in den k-Wert ein. Außerdem beschreibt er nur die Wärmeverluste infolge eines Temperaturunterschieds zwischen der Raum- und der Außenluft. Die auch während der Heizperiode auf Außenbauteile auftreffende Sonneneinstrahlung bleibt unberücksichtigt“ (Bauphysik 1981, H. 1, S.3). Dass diese Vereinfachung nur für Hüllflächen von Kellern, nicht aber für reale außenluftberührte und strahlungsexponierte Außenbauteile zulässig ist, ergab sich bereits kurz nach der aufschlussreichen Charakterisierung der wichtigsten Rechengröße durch Hauser.

2.1.2.2 „Kleiner U-Wert“ nicht gleich „Geringer Wärmebedarf“

1983, veröffentlichte die Fraunhofergesellschaft eine Untersuchung an realen, d. h. täglich diffuse und direkte Zustrahlung empfangenden oberirdischen Außenbauteilen (baugleiche Räume mit 3 Außenwänden, 1 Fenster, 1 Heizkörper) zeigte, dass es keinen Zusammenhang zwischen offiziellem U-Wert und Energiebedarf gibt. Die „Untersuchung über den effektiven W-Schutz verschiedener Ziegelaußenwandkonstruktionen“ ergab: Heizwärmebedarf bei 23 cm Wärmedämmung 3% geringer als bei 10 cm W-Dämmung, jedoch 5% höher als bei 50 cm Porenziegel, beidseitig geputzt. Der Raum mit Porenziegelwänden (36,5 cm) ohne Fenster hat einen um 12 % geringeren Wärmebedarf als der gleiche Raum mit Fenster (s. FHG 1982/83, IBP-Bericht B HO 8/83 – II, 1983).

2.1.2.3 Keine stationären Verhältnisse an realen Außenwänden

Dieser allen Erwartungen widersprechende Befund wird verständlich durch folgende Hinweise:
W-Durchlasswiderstand 1/Λ und W-Durchgangskoeffizient k (U-Wert) genügen zur wärmeschutztechnischen Kennzeichnung eines Bauteils bei stationären Verhältnissen, also bei gleichbleibenden Temperaturen zu beiden Seiten nach Erreichen des Dauerzustandes des Wärmestroms durch das Bauteil. ... Beim Aufheizen und Auskühlen eines Raumes, bei Sonnenzustrahlung zu einem Bauteil, schnellen Änderungen der Lufttemperaturen zu
beiden Seiten von Bauteilen ... treten Temperaturänderungen und Änderungen von Wärmeströmen auf, die durch die Werte 1/Λ und k (U) nicht erfasst werden können. In diesen Fällen spielt das W-Speichervermögen der Stoffe und Bauteile im Zusammenhang mit der Zeit die entscheidende Rolle. Für die rechnerische Behandlung der genannten Probleme werden Größen benötigt, die aus denen der spez. Wärmekapazität, der W-Leitfähigkeit und der Rohdichte der betreffenden Stoffe gebildet werden (Kapitel 1.2: Instationäre Verhältnisse in Gösele, Schüle, Schall, Wärme, Feuchte. Bauverlag Wiesbaden, 1985).

2.1.2.4 Große Speichermasse ist Wärmedämmung

In gleichem Zusammenhang nutzen Tschegg, Heindl und Sigmund 1986 in „Grundzüge der Bauphysik“ einen Begriff, der die allgemeine Erfahrung mit speicherfähiger Bauweise (langsameres Auskühlen, trägeres Wärmerwerden im Vergleich zu Leichtbauweisen) abstrakt ausdrückt, nämlich den Widerstand, den ein Bauteil dem Wechsel der Richtung des in ihm verlaufenden Wärmestroms entgegensetzt: „Der thermische Wechselstromwiderstand massiver Baustoffe ist stets größer als ihr bei stationärem Wärmefluss gemessener Wärmedurchlasswiderstand“ (s. 2.3.2).
Ganz praxisbezogen heißt es im Heizungslehrbuch „Handbuch für Heizung + Klimatechnik“ (Recknagel, Sprenger...1993) im Kapitel „Deckenheizung“ zur Vermeidung der Überdimensionierung in Bezug auf den obersten Raum unter Flachdach: „In Anbetracht der geringen Anzahl der sehr kalten Tage und der Speicherfähigkeit von Betondecken genügt es, der Berechnung der Deckentemperatur eine Außenlufttemperatur von –5 °C zugrunde zu legen.“ Allein schon wegen der 24-stündigen Solarstrahlungsperiode ist der offizielle U-Wert für reale Außenbauteile über Erdreich unrealistisch.
Im zitierten Satz wird die Erfahrung berücksichtigt, dass die am Tag in der Speichermasse aufgenommene Strahlungswärme eine Auskühlung des Bauteils während der Nacht verhindert. Für die übrigen Heizsysteme gilt als Auslegungstemperatur aber unabhängig von der Bauweise z. B. – 16 °C, obwohl auch massive Wände „Umweltwärme“ speichern. Indirekt wird hier gesagt, dass die Speichermasse von entscheidender Bedeutung für den Wärmebedarf ist, was ja seit der 1. Fassung der Wärmeschutzverordnung geleugnet wird. Ferner ergibt sich daraus, dass Wärmespeicherung nur ein Alternativausdruck für Wärmedämmung ist, denn ein Material, das Wärme festhält, hat einen geringen Wärmedurchgang und senkt den Wärmebedarf, worin das Ziel der Wärmedämmung besteht.

2.1.2.5 Solare Zustrahlung auch im Winter energetisch relevant

Im IBP-Bericht EB-8/1985 (Auswirkungen der Strahlungsabsorption von Außenwandoberflächen und Nachtabsenkung der Raumlufttemperaturen auf den Transmissionswärmeverlust und den Heizenergieverbrauch) sagt die Legende der Abb. „Temperaturverteilung und Energiegewinn einer monolithischen Wand“, dass hier der Energiegewinn einer ungedämmten Ziegelwand aus eingespeicherter Solarenergie sichtbar ist: „Durch die absorbierte Solarstrahlung ergeben sich instationäre Verhältnisse gegenüber dem Beharrungszustand“.

2.2 Bauteilfeuchte

2.2.1 U-Wert und Materialfeuchte

Offiziell wird angenommen, dass der U-Wert nur vom Material abhängig und umso höher ist, je höher das Rohgewicht ist. Daher gilt, dass er nur durch Wärmedämmung und Neufenster zu verbessern ist. Basis des offiziellen Wärmedurchgangskoeffizienten der einzelnen Wandbaustoffe ist aber die Annahme einer hohen hygroskopischen Materialfeuchte („praktischer Feuchtegehalt“). Dieser „baustofftypische“ Feuchtegehalt wird auch heute noch als durch Wärme nicht beeinflussbar angesehen, obwohl die Werte vor Jahrzehnten bei konventioneller Heizung („Luft“-Heizung) ermittelt wurden, lange bevor es Erfahrungen mit der direkten Beheizung der Wandoberfläche gab. Die Raumtemperatur wurde damals wie heute in 1 m Abstand von der Außenwand und in 1,5 m Höhe gemessen. So bleibt bei der Messung verborgen, dass die Wärmeverteilung durch freie Raumluftkonvektion (Heizkörper) keine gleichmäßige Oberflächentemperatur herstellen kann und daher größere Wandbereiche kälter als die Raumluft bleiben, so dass diese Bereiche feuchter sind (abgesehen vom physiologischen Nachteil eines Sitzplatzes in der Nähe einer kalten Wandfläche).
Misst man die Temperatur von schimmelbefallenen Wandstellen mit dem Infrarot-Thermometer, so findet man, dass sie kühler als Stellen ohne Schimmel sind. Da sich hier kontinuierlich Wasserdampf abscheidet, können die überall vorhandenen Schimmelsporen auskeimen. Schimmel in der Heizperiode ist also nicht Folge falschen Lüftungsverhaltens der Bewohner, sondern zeigt vielmehr, dass durch das Heizen mit freier Konvektion nicht überall ausreichende Wandtemperaturen herstellbar sind.

Kaum bekannt ist, dass angesichts dieser Mängel der anerkannten Heizkörperheizung (und um diese „politisch korrekt“ nicht zu benachteiligen) der U-Wert, ohne Berücksichtigung physikalischer Voreile eines Heizsystems, bezogen wird auf eine an der raumseitigen Oberfläche des Bauteils herrschende relative Luftfeuchte von 80% - wie es bei konventioneller, physikalisch unsinniger Wärmeverteilung an unterversorgten Außenwandbereichen vorkommt. Bereits ab 75% aber nehmen die Kapillaren eines Baustoffs aus der Luft Wasserdampf auf (Kapillarkondensat), da die (schwache) Anziehungskraft des polaren Wassermoleküls stärker ist als die Abstoßungskraft der Oberflächenmoleküle der kühleren Bereiche. Ihre Wärmeschwingung ist wenig, aber entscheidend geringer als die Schwingung der Moleküle, die zu ausreichend versorgten Wandbereichen gehören, deren Oberflächentemperatur also nicht unter der Raumluft- (= Wasserdampf-) temperatur liegt. Der U-Wert ist bei der üblichen Berechnung also auf einen Bauteilzustand bezogen, der bei kontinuierlicher ganzflächiger Wandbeheizung (Temperierung der Gebäudehülle) gar nicht möglich ist. Da sie eine gleichmäßige Oberflächentemperatur der Wand herstellt, beseitigt sie die Randbedingung des U-Werts nach DIN: Es herrschen an der Wandoberfläche 50% rel. Luftfeuchte und weniger. Durch das ganzflächige Wärmegefälle wird das Bauteil daher trocken und ist vor weiterer Feuchteaufnahme aus der Raumluft geschützt.

2.2.2 Wärmeleitwert und Materialfeuchte

Entsprechendes gilt für die Wärmeleitfähigkeitsgröße Lambda: Gerechnet wird mit „Lambda rechnerisch“, das bezogen ist auf eine Bauteil-Oberflächentemperatur von 10 °C. Nicht erwähnt wird, dass in einem realen Wohnraum eine solche Wand feucht sein muss: Bringt man im Mollier-h, x-Diagramm (Datei Nr. 7c, S. 11) die beiden Werte (10 °C und 80 % RF) zum Schnittpunkt, so findet man, dass dies einer Wasserdampfmenge von 6,2 Gramm pro kg Luft (absolute Feuchte) entspricht. Da die Absolutfeuchte im ganzen Raum gleich ist, hätte ein Raum mit 20 °C (auf der 6,2-g-Achse hochgehen auf 20 °C) eine rel. Luftfeuchte von 42 % (in Raummitte gemessen). Eine Außenwand dieses Raumes, deren Oberfläche nur 10 °C hätte, wäre nicht nur unzumutbar kalt, sondern trotz der geringen relativen Luftfeuchte im Raum auch feucht (auf der 6,2-g-Achse runtergehen auf 10 °C), da an der Wandoberfläche 80 % RF herrschen würden, ab 75 % aber das Kapillarkondensat beginnt. Wäre dieselbe Raumtemperatur Folge der Wandbeheizung (Wandoberflächentemperatur 20 °C), so wäre auch die rel. Luftfeuchte im ganzen Raum gleich, die Wand also trocken, da an ihrer Oberfläche nicht 80 %, sondern 42 % vorlägen.

2.3 Wärmeleitung in Massivbauteilen

2.3.1 Messung des Wärmeleitwerts

Zu eklatanter Fehleinschätzung der energetischen Qualität speicherfähiger Bausubstanz führt die Bedingung für die Messung der Wärmeleitfähigkeit, die die physikalisch unsinnige Vergleichbarkeit von Leicht- und Massivbaustoffen herstellen soll: „Die Messung beginnt, wenn ein stationärer Wärmefluss eingetreten ist. Bei Bauteilen mit hohem Rohgewicht kann dies einen bis mehrere Tage dauern.“ Es unterbleibt der Hinweis auf die Konsequenz der Gleichsetzung: Die Labormessung ist nicht auf die reale Situation übertragbar. Die offiziellen Werte für "Lambda trocken" in der Tabelle der Wärmeleitzahlen von Baustoffen sind wegen dieser Randbedingung nur für nichtbestrahlte Bauteile wie Kellerhüllflächen (nur bedingt für die Decke unter Dach) sinnvoll, da die Ermittlung ja nicht an realen Bauteilen stattfand: Ein Außenbauteil hat in dieser Zeit einen bzw. mehrere Tageszyklen durchlaufen.Bereits die diffuse Infrarotstrahlung am Morgen behindert jedoch den Wärmefluss nach außen, stärkere Einstrahlung kann ihn stoppen oder sogar nach innen umkehren. Nach Ende der Einstrahlung setzt – entgegen der Leichtbauweise – die Wärmeabgabe zunächst nur durch Wärmeabstrahlung an der äußeren Oberfläche sofort ein, während der Wärmefluss nach außen in den tieferen Bauteilbereichen verzögert beginnt.

2.3.2 Thermischer Wechselstromwiderstand

Massive mineralische Bauteile setzen dem Wechsel der Richtung des Wärmestroms einen wesentlich höheren Widerstand entgegen als porosierte Stoffe oder Faserstoffe. Die Verzögerung ist umso stärker, je höher das Rohgewicht liegt (s. 2.1.2.4). Die Massivbauweise wird demnach durch die Wärmebedarfsberechnung auf U-Wert-Basis benachteiligt. Der höhere thermische Wechselstromwiderstand massiver Baustoffe erhellt sich aus folgenden Tatsachen: Während in unporosierten nichtmetallischen Festkörpern die Transmission hauptsächlich durch Weitergabe von Wärmeschwingungsimpulsen (Phononen) im Raumgitter stattfindet, wie es bei porosierten bzw. Faserstoffen nur im Bereich der geringen Festkörperanteile (also in den Porenwänden und den Fasern selbst) geschieht, wird in den Hohlräumen der Leichtstoffe die Energie zusätzlich durch Infrarotstrahlung übertragen, die von den unzähligen Oberflächen der Porenwände bzw. der Fasern emittiert wird und ihre Richtung sofort ändern kann. Der Zweck des „Einbaus von Luft“ in Außenbauteile (zur Verringerung der Transmission durch schlechte Wärmeleitung des Gases) wird durchkreuzt, da die Wärmestrahlung von den wenigen Gasmolekülen in den künstlich geschaffenen Hohlräumen nicht behindert wird.

Da ferner die Atome bzw. Moleküle eines Festkörpers durch die Anziehungskräfte in drei Dimensionen mit einander verknüpft sind, kann sich weder die Intensität noch die Richtung der Wärmeschwingung rasch ändern. Dies gilt nicht für Metalle, da hier – im Gegensatz zu den nichtmetallischen Festkörpern – die Raumgitter gleichmäßig besetzt sind (keine Löcher) und die Elektronen nicht atomgebunden sind, sondern, wie zur elektrischen Leitung, auch zur Wärmeleitung beitragen. Wenn man diesen Unterschied nicht ausblendet, erkennt man, dass die verbreitete Annahme, dass – analog zu den Metallen – auch die Wärmeleitfähigkeit mineralischer Stoffe mit ihrer Dicht steige, falsch ist.

3. Energieausweis

Im Laufe des Jahres 2008 soll sich die Ausstellung des Energieausweises „nach Bedarf“ durchsetzen, d. h. auf der Basis einer Berechnung mit U-Werten, die, wie sich oben zeigte, den Massivbau benachteiligen. Die Verbrauchswerte, die sich durch die „energetische Gebäudesanierung“, vulgo Nachbesserung des Dämmstandards, Neufenster und Erneuerung der Heiztechnik (nicht Optimierung der Wärmeübertragung!) ergeben sollen, werden annähernd bereits von Massivbauten allein auf Grund ihrer Wärmespeicherung erreicht – ganz ohne derartige heute als unabdingbar bezeichnete Maßnahmen. Für den unsanierten Altbaufall (s. 2.1.2) wäre laut den dem Ausweis zu Grunde liegenden offiziellen „Energieverbrauchskennwerten“ mehr als das 3-fache des gemessenen Verbrauchs zu erwarten. Kontinuierliche Wandheizung und Reduzierung des Fugenluftwechsels wiederum erlauben sogar eine Unterschreitung der Richtwerte. Wegen dieser physikalischen Fakten kann (und muss) man im Fall der Bestandssanierung auf der Ausstellung "nach Verbrauch" bestehen, um die Vorteile der Speichermasse weiter nutzen und durch wenige physikalisch sinnvolle Maßnahmen bei geringem finanziellem Aufwand optimieren zu können.

Autor: 
Henning Großeschmidt
Anhang: 
Energie-Einsparung im Massivbau.pdf