Die mangelnde Beachtung bauphysikalischer Aspekte hat dem Holzbau in der Vergangenheit einen schlechten Ruf eingebracht (Barackenklima, Zugerscheinungen), obwohl die Eigenschaften von Holzwerkstoffen – sorgfältige Planung und Ausführung vorausgesetzt – qualitativ hochstehende Bauwerke ermöglichen.
In der Heizperiode gilt es, die Wärmeverluste durch Transmission und Lüftung gering zu halten, um Behaglichkeit, Gesundheit, Bauteilschutz und geringe Energiekosten zu gewährleisten. Dabei gibt der Wärmedurchgangskoeffizient (U=Q/AΔT [W/m2K]) an, wie hoch der Wärmefluss (Q [W]) durch eine Fläche (A) ist, wobei eine konstante Temperaturdifferenz (ΔT [K]) (stationäre Bedingung) der angrenzenden Luftschichten das antreibende Potenzial ist. Er nimmt zu mit der Wärmeleitfähigkeit (λ[W/mK]) (Dämmstoffe ~0,035 – 0,040, Holzwerkstoffe ~0,1 – 0,2, Stahlbeton ~2,4), gegen den Wärmestrom wirkt die Dicke der Bauteilschichten. Durch Holzwerkstoffe fließt in der gleichen Zeit die 2 – 5-fache, durch Beton die 60-fache Wärmemenge wie durch eine gleich dicke Wärmedämmschicht.
Die vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit von Holz und die träge Wärmespeicherung entschärfen konstruktive Wärmebrücken (Schimmelbildung, Wärmeverluste). Zunehmender Wärmeschutz (Niedrig- und Niedrigstenergiehaus) erfordert die Minimierung des Einflusses von Wärmebrücken auch im Holzbau.
Das Erwärmen von Bauteilen erfolgt durch Beheizen oder durch Sonneneinstrahlung als instationärer periodischer Prozess mit Wärmezufuhr (Beheizen, Besonnen) und Wärmeabgabe (Nachtabsenkung, Beschattung, Nachtlüftung). Die Wärme wird direkt oder über die Luft an den Bauteil abgegeben. Zum wirkungsvollen Wärmeübergang zwischen Bauteilen und Luft ist eine Temperaturdifferenz von 3 – 4 K erforderlich. Während einer Tagesperiode (24h) dringt die Wärme in mineralische Schichten 6 – 10 cm tief ein. Bei Holzbauteilen ist diese Eindringtiefe geringer, es kann also auch nur eine geringere Speichermasse genutzt werden.
Im Winter ermöglichen Wärmespeichermassen die rasche Wiedererwärmung der Raumluft nach Stoßlüften, im Sommer reduzieren sie tagsüber die Erwärmung der Raumluft und werden durch Nachtlüftung abgekühlt. Wärmeeinträge durch die Fenster und opake Bauteile müssen gering gehalten werden. Maßgeblich für opake Bauteile sind die Bauteilkennwerte Temperaturamplitudendämpfung (TAV=Ae/Ai [-]) – das Verhältnis der maximalen Erwärmung (Amplitude) der äußeren (Ae) zu der inneren Bauteiloberfläche (Ai) – und Phasenverschiebung (φ [h]) – die zeitliche Verschiebung des inneren zum äußeren Maximum. TAV ist umso größer, je größer die Speichermasse und die Wärmedämmung eines Bauteils sind, die Phasenverschiebung verlängert sich mit der Zunahme der Wärmespeichermassen im Bauteil.
Drei Stoffkennwerte bilden die Basis instationären Verhaltens:
• Rohdichte
• Spezifische Wärmespeicherkapazität
• Wärmeleitfähigkeit
Die Rohdichte ( [kg/m3]) von Holzwerkstoffen liegt je nach Dichte der Faseranordnung und Leimanteil zwischen 250 und 1.000kg/m3 (Nadelhölzer ~450, Dämmstoffe ~15 – 300, Stahl ~8.000). Gemeinsam mit den Festigkeitswerten erklärt sich daraus auch die Eignung von Holz für den Leichtbau.
Die spezifische Wärmespeicherkapazität (cp [kJ/kgK]) gibt an, welche Wärmemenge [kJ] zum Erwärmen eines Stoffes (Masse [kg]) zugeführt werden muss (Mineralische Stoffe ~1, Holzwerkstoffe ~1,6 – 2,5, Stahl ~0,5, Wasser ~4,1). Um dieselbe Masse an Holz zu erwärmen, ist ungefähr die doppelte Wärmemenge wie für Beton, die vierfache wie für Stahl und ca. die halbe wie für Wasser erforderlich. Daraus resultiert das im Vergleich zu mineralischen Stoffen wärmeträge Verhalten von Holzbauteilen.
Die Wärmespeicherungszahl (s [kJ/m3 K]) gibt die zum Erwärmen auf ein Volumen bezogene erforderliche Wärmemenge an. Sie ist proportional zur Rohdichte und zur spezifischen Wärmekapazität. Temperaturänderungen breiten sich in einem Stoff umso schneller aus, je höher Wärmeleitfähigkeit und je geringer Rohdichte und spezifische Wärmekapazität sind. Diesen Zusammenhang bildet die Temperaturleitfähigkeit (a [m2/h]) ab (Massivholz ~0,00035, Stahlbeton ~0,0035, Stahl 0,057), die u.a. die Basis der Berechnung der Phasenverschiebung darstellt. Temperaturänderungen breiten sich also in Beton ~10-mal, in Stahl ~160-mal so rasch aus wie in Massivholz. Holz reagiert also träge auf Erwärmen und Abkühlen, es bildet daher eine langsam reagierende Wärmespeichermasse.
Der Wärmeeindringkoeffizient (b [kJ/m2 h0,5 K] od. [Ws0,5/m0,5 K]) gibt an, wie rasch ein Stoff Wärme speichert bzw. dem menschlichen Körper entzieht (Holzwerkstoffe ~10 – 35, Stahlbeton ~150, Stahl ~900, Aluminium ~1.300). Stoffe mit einem Wärmeeindringkoeffizienten bis 20 werden oberflächlich sehr rasch warm, weil die Wärme nur langsam nach innen geleitet wird (Wärmestau), bei 20 – 50 ergibt sich eine angenehme (fußwarme) Oberfläche, bei Werten über 50 wirkt die Oberfläche kalt, und über 150 wird der Wärmeabfluss am Körper als unangenehm empfunden. Daher eignen sich Holzwerkstoffe gut für Boden- und Wandbeläge sowie Sitzflächen, metallische Bodenbeläge sollten von Wärme ableitenden Untergründen durch Holzwerkstoffe oder Wärmedämmungen getrennt werden.
Text:
Arch. DI Dr. Michael Grobbauer
1999 – 2008 Universitätsassistent, TU Graz, Inst. f. Architekturtechnologie
2003 Dissertation: »Bauphysikalische Anforderungen und ihre konstruktiven Auswirkungen – Wärme und Feuchte«
seit 2004 mfgarchitekten, Graz
2006 Architekturpreis des Landes Salzburg
2008 Salzburger Holzbaupreis 2007
Wärmeschutz: Stoffkennwerte ausgewählter (Bau-)Stoffe
| Stoffbezeichnung | Rohdichte1) | Wärmeleitfähigkeit1) | spezifische Wärmespeicherkapazität1) | Wärmespeicherungszahl2) | Temperaturleitfähigkeit2) | Wärmeeindringkoeffizient2) | |||||
| ρ[kg/m3] | λ[W/(mK)] | cp [kJ/kgK] | s [kJ/m3K] (s=cpρ) | a103 [m2/h] (a=λ/cpρ) (a=λ/s) |
b [kJ/m2 h0,5 K] (b=√(λ/cpρ)) |
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| Holz- u. Holzwerkstoffe | |||||||||||
| Nutzholz | 500,00 | 700,00 | 0,130 | 0,170 | 2,5 | 1.250,00 | 1.750,00 | 0,27 | 0,49 | 24,19 | 32,73 |
| Sperrholz | 400,00 | 800,00 | 0,110 | 0,200 | 2,5 | 1.000,00 | 2.000,00 | 0,20 | 0,72 | 19,90 | 37,95 |
| Spanplatte | 300,00 | 800,00 | 0,081 | 0,140 | 2,5 | 750,00 | 2.000,00 | 0,15 | 0,67 | 14,79 | 31,75 |
| OSB-Platte | 640,00 | 680,00 | 0,120 | 0,130 | 1,7 | 1.088,00 | 1.156,00 | 0,37 | 0,43 | 21,68 | 23,26 |
| Holzfaserplatte | 200,00 | 1.000,00 | 0,060 | 0,220 | 1,7 | 340,00 | 1.700,00 | 0,13 | 2,33 | 8,57 | 36,69 |
| MDF-Platte | 500,00 | 1.000,00 | 0,110 | 0,200 | 1,7 | 850,00 | 1.700,00 | 0,23 | 0,85 | 18,35 | 34,99 |
| (Wärme-)Dämmstoffe | |||||||||||
| Gebundene Mineralwolle – Steinwolle (MW) | 27,00 | 150,00 | 0,035 | 0,041 | 1,03 | 27,81 | 154,50 | 0,82 | 5,31 | 1,87 | 4,78 |
| Expandierter Polystyrol-Hartschaum (EPS) | 15,00 | 30,00 | 0,035 | 0,041 | 1,45 | 21,75 | 43,50 | 2,90 | 6,79 | 1,66 | 2,53 |
| Extrudierter Polystyrol-Hartschaum (XPS) | 38,00 | 38,00 | 0,035 | 0,041 | 1,45 | 55,10 | 55,10 | 2,29 | 2,68 | 2,63 | 2,85 |
| Polyurethan-Hartschaum (PU-DD) | 28,00 | 55,00 | 0,025 | 0,026 | 1,4 | 39,20 | 77,00 | 1,17 | 2,39 | 1,88 | 2,68 |
| Schaumglas (CG) | 100,00 | 180,00 | 0,039 | 0,059 | 1,0 | 100,00 | 180,00 | 0,78 | 2,12 | 3,75 | 6,18 |
| Gebundene Holzwolle (WW) | 30,00 | 150,00 | 0,068 | 0,085 | 1,6 | 48,00 | 240,00 | 1,02 | 6,38 | 3,43 | 8,57 |
| Holzfaserdämmplatte (WF) | 150,00 | 300,00 | 0,045 | 0,060 | 2,5 | 375,00 | 750,00 | 0,22 | 0,58 | 7,79 | 12,73 |
| Stahlbeton | 2.300,00 | 2.400,00 | 2,300 | 2,500 | 1,08 | 2.484,00 | 2.592,00 | 3,19 | 3,62 | 143,41 | 152,74 |
| Stahl | 2,300 | 2,500 | 60,000 | 60,000 | 0,48 | 3.768,00 | 3.768,00 | 57,32 | 57,32 | 902,16 | 902,16 |
| Edelstahl | 8.000,00 | 8.000,00 | 48,000 | 48,000 | 0,15 | 1.200,00 | 1.200,00 | 144,00 | 144,00 | 455,37 | 455,37 |
| Aluminium | 2.700,00 | 2.700,00 | 200,000 | 200,000 | 0,92 | 2.484,00 | 2.484,00 | 289,86 | 289,86 | 1.337,34 | 1.337,34 |
| Gipskartonplatte | 900,00 | 900,00 | 0,210 | 0,210 | 1,05 | 945,00 | 945,00 | 0,80 | 0,80 | 26,73 | 26,73 |
| Floatglas | 2.500,00 | 2.500,00 | 1,000 | 1,000 | 0,75 | 1.875,00 | 1.875,00 | 1,92 | 1,92 | 82,16 | 82,16 |
| Wasser 10°C | 1.000,00 | 1.000,00 | 0,600 | 0,600 | 4,19 | 4.190,00 | 4.190,00 | 0,52 | 0,52 | 95,13 | 95,13 |
| Eis 0°C | 900,00 | 900,00 | 2,200 | 2,200 | 2,0 | 1.800,00 | 1.800,00 | 4,40 | 4,40 | 119,40 | 119,40 |
| Luft | 1,00 | 1,00 | 0,025 | 0,025 | 1,008 | 1,01 | 1,01 | 89,29 | 89,29 | 0,30 | 0,30 |
1) Rechenwerte aus ON-V 31, 01.12.2001, Katalog für wärmeschutztechnische Rechenwerte von Baustoffen und Bauteilen
2) aus den angegebenen Rechenwerten errechnete Werte
