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Wärmestrahlung

Von Ralf Plag | 27.3.2015

Der Einfluss der Wärmestrahlung auf den U-Wert sei vernachlässigbar, sagen die einen. Eine U-Wert-Berechnung ohne Wärmestrahlung sei unbrauchbar, sagen die anderen. Wie groß der Effekt wirklich ist, können Sie ab sofort mit dem U-Wert-Rechner selbst heraus finden.

Wärmestrahlung

Vorweg: Wärmestrahlung ist nur in Schichten relevant, die für Wärmestrahlung durchsichtig bzw. transparent sind. Dies sind jedoch nicht nur innenliegende Luftschichten sondern auch die inneren und äußeren Wärmeübergangswiderstände Rsi und Rse.

Die Abbildung rechts verdeutlicht den Effekt anhand eines einfachen Bauteils (1: Gipskarton, 2: Luftschicht, 3: Folie, 4: Dämmung). Die meisten Baustoffe nehmen Wärmestrahlung fast vollständig auf (A). Einige wenige Baustoffe, z.B. Alufolie, reflektieren einen Großteil der Strahlung (B). Daneben wird Wärme auch durch Konvektion (C) übertragen, was die durch Reflektion erzielbare Verbesserung der Dämmwirkung einschränkt.

Luftschichten

Die Schwierigkeit bei der U-Wert-Berechnung ist, dass die übertragene Wärmestrahlung nicht nur vom Material der begrenzenden Oberflächen, sondern auch von der absoluten Temperatur und der Geometrie des Luftvolumens abhängt. Eine exakte Berechnung, insbesondere bei inhomogenen Bauteilen, ist deshalb recht kompliziert.

Glücklicherweise kann man sich in den meisten Fällen das Leben deutlich leichter machen, ohne dass das Ergebnis nennenswert an Genauigkeit verliert:

1) Die komplizierte Abhängigkeit von der absoluten Temperatur (bzw. deren 4. Potenz) lässt sich durch Linearisieren des benötigten Abschnitts entfernen. Die dadurch entstehende Unsicherheit des U-Werts liegt z.B. bei einer 3cm starken Luftschicht in einem gemäß EnEV gedämmten Bauteil unter 0,1% und ist nicht relevant.

2) Die Geometrie kann vernachlässigt werden wenn man annimmt, dass Höhe und Breite der Luftschicht wesentlich größer sind, als deren Dicke. Dies ist fast immer der Fall.

3) Das Material der begrenzenden Oberfläche ist nur relevant, wenn der sogenannte „Emissionsgrad für langwellige Strahlung“, ε, klein ist – in der Abbildung Fall (B). Denn erst dann wird ein wesentlicher Teil der Wärmestrahlung von der Oberfläche reflektiert und nur dann trägt der Effekt spürbar zur Wärmedämmung bei. Der Emissionsgrad kann Werte zwischen 0 und 1 annehmen und liegt für die meisten Baustoffe zwischen 0,9 und 0,95. Hauptsächlich Metalle, insbesondere saubere, blanke Alufolie (mit ε ca. 0,1), liegen außerhalb dieses Bereichs. Für die meisten Baustoffe kann man deshalb mit ε=0,9 rechnen ohne den U-Wert um mehr als 0,2% zu verfälschen. Lediglich bei gut reflektierenden Materialien muss der Effekt berücksichtigt werden.

Genau diese Vereinfachungen sind in den Anhängen A und B der DIN 6946 beschrieben und fließen ab sofort in die U-Wert-Berechnung auf u-wert.net ein.

Wärmeübergangswiderstände

Auch für die Wärmeübergangswiderstände ist Wärmestrahlung relevant und wird ab sofort berücksichtigt. Dabei sollte man aber zwei Dinge im Auge behalten:

1) Einen nennenswerten Effekt auf den U-Wert erzielt man auch hier nur, wenn man als innerste Schicht ein gut reflektierendes Material wie z.B. Alufolie verbaut. Sobald die Oberfläche des Materials aber beschichtet, angestrichen oder einfach nur dreckig und staubig wird, ist der Effekt zunichte oder zumindest reduziert. Eine dampfdiffusionsdichte Alufolie birgt außerdem Risiken beim Feuchteschutz, wenn die außenliegenden Schichten nicht alle sehr diffusionsoffen sind.

2) Der innere Wärmeübergangswiderstand wird auch von der Konvektion bzw. der Luftgeschwindigkeit an der Oberfläche bestimmt. Dieser Effekt ist leider schwer in Zahlen zu fassen da er neben Länge, Breite und Temperatur der Oberfläche auch von Möbeln und Dekorationsobjekten (Bilder, Teppiche, …) abhängt. Die dadurch entstehende Unsicherheit kann leicht größer sein, als der Einfluss der Wärmestrahlung.

3) Auf der Außenseite des Bauteils wird es noch komplizierter: Bei wolkenlosem Himmel gibt die Außenoberfläche die Wärmestrahlung zumindest teilweise in den extrem kalten Weltraum ab. Während sich die Innenwände gegenseitig anstrahlen und so ein Gleichgewicht aus Geben und Nehmen entsteht, überwiegt auf der Außenseite – zumindest nachts – das Geben. D.h. die Oberfläche gibt mehr Strahlungsenergie ab als sie von der Umgebung aufnimmt. In klaren Nächten führt dies dazu, dass sich die Oberfläche unter die Lufttemperatur abkühlt und sich Tauwasser auf der Außenseite niederschlägt. Die Folge: von außen beschlagene (Dach-)Fenster und Algenwachstum an der Fassade.
Tagsüber steht dagegen die Sonne als vergleichsweise starke Wärmestrahlungsquelle zur Verfügung. Die Sonne strahlt ihre Wärme jedoch bei anderen Wellenlängen ab, so dass die Sonnenstrahlung nicht mit dem oben erwähnten Emissionsgrad für langwellige Strahlung erfasst werden kann. Statt dessen würde man hier einen weiteren Parameter benötigen, den Absoprtionsgrad für kurzwellige Strahlung.

Um all diese Effekte zu berücksichtigen, müssten Bewölkung, Sonneneinstrahlung und Beschattung des Bauteils über einen längeren Zeitraum simuliert werden. Für u-wert.net ist dies derzeit noch Zukunftsmusik.

Beispiel: Zwischensparrendämmung mit Luftschicht und Alufolie

Bauteil im U-Wert-Rechner öffnen

Verwenden Sie die Ein-/Ausschaltfunktion der Schichten um in diesem Beispiel die herkömmliche Dampfbremse gegen die Alufolie auszutauschen. Eine zweite Alufolie (raumseits der Luftschicht) vergrößert den Effekt. Beachten Sie auch, dass sich der U-Wert mit Alufolie verschlechtert, wenn auf die Luftschicht verzichtet wird. Denn dann bewirkt die hohe Wärmeleitfähigkeit der Alufolie eine Verstärkung der Wärmebrücke, die durch die Sparren verursacht wird.

Update 19.7.2015

Weil die gängigen Profi-Programme für Energieberater und Architekten meist vereinfacht rechnen, Wärmestrahlung also nicht explizit berücksichtigen, rechnet u-wert.net ab sofort in der Voreinstellung ebenfalls ohne Wärmestrahlung. So bleiben die Ergebnisse vergleichbar und es entsteht nicht der Eindruck, die genauere Berechnung von u-wert.net sei falsch.

Die Berücksichtigung von Wärmestrahlung können Sie unter ‚Wärmestrahlung‘ auf dem Reiter ‚U-Wert‘ einschalten:

Wärmestrahlung einschalten

Themen: Bauphysik


Ein Kommentar zu “Wärmestrahlung”

  1. Walter Friederich meint:
    9.September 2016 at 22:46

    Wärmestrahlung ist physikalisch etwas anderes als Konvektion oder Wärmeleitung und muss folglich auch anderen Rechenregeln folgen. Weil aber gerne einfach gerechnet wird, wird Wärmestrahlung linearisiert und formelmäßig an Wärmeleitung angeglichen. Gleiches bei Konvektion…. man tut so, als ob die Wärmewiderstände konstant wären und nicht von der Temperatur abhingen…. genaues Hinsehen zeigt aber gerade bei Dämmstoffen auf, dass auch bei ihnen die Wärmeleitwerte temperaturabhängig sind. Es macht im Ergebnis wenig Sinn, mit ungenauen Formeln sehr genau zu rechnen. Interessant an der Wärmestrahlung ist, dass Styropor einen Teil der Strahlung durchlässt, wie ja auch bei sichtbarer Strahlung, so dass doppelte Dicke nicht gleich doppelte Wärmedämmung bedeutet. Mit der Anforderung, höhere Dämmwerte zu erreichen, hat man folglich die Platten mit Graphit eingefärbt, so dass sie für Wärmestrahlung weniger durchlässig sind.
    Der andere interessante Aspekt ist angesprochen und man findet, dass die Strahlungstemperatur im Halbraum vor der Wand von Bedeutung ist und folglich die Oberflächentemperatur einer Hauswand außen bei klarem Wetter unterschiedlich ist. Das kann man in Thermografieaufnahmen gut sehen: unter einem Dachüberstand ist es vergleichsweise warm, obwohl die Dämmung nicht schlecht ist und die Dachziegel sind kalt, obwohl dort gegebenenfalls Defizite bei der Dämmung bestehen.

    Unangenehm ist der Einfluss der Strahlung bei Fassaden mit wenig Wärmeträgheit aber verhältnismäßig hohem Anteil des kalten Himmels am Halbraum vor der Fassade und dann vielleicht noch in einem vergleichsweise feuchten Umfeld. Die Fassade kühlt unter den Taupunkt ab und kann veralgen. Abhilfe durch IR-aktive Farbe, aber auch durch mehr Masse in der Außenschale, also Sparverblender und Beheizung der Fassade mit solarer Strahlung (einen roten Ziegelfarbton wählen, der ist rot weil er typischerweise langwelliges Licht und damit auch IR ganz anständig reflektiert, aber kürzerwelliges solares Licht in Wärme wandelt). Arbeiten von Professor Sedelmayer, Fraunhoferinstitut liegen zum Thema IR-aktive Farben für Bauteiloberflächen vor…

Kommentare

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