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Bauphsik
Vorlesung 2 Std.
E.K. Tschegg, Labor für Materialwissenschaften
E206-4, TU Wien SS
Unterlagen Bauphysik www.hochbau.tuwien.ac.at Pro
f. Elmar Tschegg Elmar.Tschegg_at_tuwien.ac.at
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Bauphysik Wärme, Feuchte, Schall, Licht,
Niederschlag und Wind.
Physik, Chemie und Materialwissenschaften Behaglic
hkeit/das Wohlbefinden der Bewohner
biologischen Forschungsbereichen Medizin und
Physiologie.
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Bauphysik soll die physikalischen Grundregeln
in seinem Arbeitsbereich richtig anzuwenden. Sie
verabreicht keine Konstruktionsrezepte, sondern
versucht die physikalischen Gesetzmäßigkeiten für
Vorgänge,welche in oder ums Gebäude ablaufen,
aufzuzeigen und zu erklären, um sie
anschließendbei der Konstruktion und/oder
Sanierung schon in der Planungsphase richtig
anwenden zukönnen
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I. Wärmetransportprozesse
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1. Wärmeleitung
Bei der Wärmeleitung, die hauptsächlich in festen
Körpern und stehenden Flüssigkeiten stattfindet
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2. Wärmeströmung
Bei der Konvektion oder Warmeströmung, die nur in
Gasen oder Flüssigkeiten stattfindet, wird die
Wärme durch Bewegungsvorgänge (Strömung oder
Ortsänderung) transportiert.
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3. Wärmestrahlung
Bei der Wärmestrahlung wird die thermische
Energie durch elektromagnetische Strahlung ohne
"materiellen" Wärmeübertrager (auch im Vakuum)
übertragen, d.h. es braucht keine Masse als
Übertrager.
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• Solarhaus-Konzeption von Sokrates
• 1 Sonneneinstrahlung auf die Südfassade im
  Sommer
•  2 Sonneneinstrahlung auf die Südfassade im
  Winter
• Gedeckte Terrasse    Wohnraum
• Wohnraum,
• 5 Vorratsräume als thermische Pufferzone
• 6   Isolierwand gegen Norden

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1.3 Kurzer Abriss der Theorie der Wärmeleitung
Der Energietransport, der auf Grund eines
Temperaturgefälles innerhalb eines Materials ohne
Massentransport auftritt, wird Wärmeleitung
genannt. Der Wärmestrom Q, d.h.die Wärmemenge,
die pro Zeiteinheit durch die Querschnittsfläche
A eines Körpers fließt, wächst proportional mit
zunehmendem Temperaturgradienten dT/dx und
zunehmender Fläche A.
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Die Wärmeleitfähigkeit ? wird durch Messungen an
Probekörpern als charakteristische Materialgröße
bestimmt.
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Wärmeleitzahl ausgewählter Stoffe bei 20C W (m
K) -1
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Wärmestromdichte q
Gesetz von Fourier den Wärme-transport durch
ein Material
Kontinuitätsgleichung
Fourier'sche Differentialgleichung
Material Wärmequellen
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(No Transcript)
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Spezialfall Eindimensionale, stationäre
Wärmeleitung den Fall der stationären
eindimensionalen Wärmeleitung in homogenen
Körpern



Geradengleichung
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Dieser Spezialfall der Wärmeleitung lässt sich
somit analog behandeln wie die Frage nach der
elektrischen Stromstärke I in einem elektrischen
Leiter bei angelegter Spannung U V1-V2. In
beiden Fällen erzeugt eine Ursache
(Temperaturgradient rsp Spannungsunterschied)
eine Wirkung (Wärmefluss bzw. elektrischer
Strom), die sich aber nur gegen den Widerstand
des Transportmaterials einstellen kann

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Wärmedurchlasswiderstand
Wärmeleitfähigkeit ? W(Km)-1
Die Größe wird als Wärmedurchlasskoeffizient
bezeichnet und ist in Analogie zur Elektrodynamik
als eine Art Wärmeleitwert der betreffenden
Materialschicht zu betrachten. (Dämmwert)
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Messung von ? bei plattenförmigen Versuchskörper
bei stationärer Wärmeströmung
Stark poröses Material mit Moosgummieinbetten. S
ämtliche Ritzen mit Korkmehl aus-füllen. (Konvekt
ion ausschalten)Schutzring Reduziert
Wärmeverlustekeine Berührung mit Heizplatte


t
Ein-Platten-Verfahren oder zweite Platte wird
durch Heizplatte ersetzt.
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1.4 Wärmeleitfähigkeit von Baustoffen
Porengehalt Die in den Poren eingeschlossene Luft
hat eine geringere Wärmleitfähigkeit als das
porenumschließende Material.

Porengehalt Die in den Poren eingeschlossene
Luft hat eine geringere Wärmleitfähigkeit als
das porenum-schliessende Material.
Porengehalt Die in den Poren eingeschlossene
Luft hat eine geringere Wärmleitfähigkeit als
das porenum-schliessende Material.





Porengehalt Die in den Poren eingeschlossene
Luft hat eine geringere Wärmleitfähigkeit als
das porenum-schliessende Material.
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Feuchtigkeit Wasser leitet Wärme ca. 25 mal
besser als Luft



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Wärmeleitzahl von Baustoffen, abhängig von der
Rohdichte

Rohdichte
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Einfluss des Feuchtegehaltes des Baumaterials auf
dessen Wärmeleitfähigkeit a)  Mauerwerkstoffe
b) Schaumkunststoffe

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Temperatur
Wärmeleitzahl von Wärmedämmstoffen als Funktion
der mittleren Materialtemperatur
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Die Baustoffe können hinsichtlich ihrer
Wärmeleitfähigkeit grob in drei Gruppen
eingeteilt werden natürliche Steine ? 2,3
bis 3,5 W(mK)-1Baustoffe aller Art ? 0,1 bis
2,3 W-(mK)-1Dämmstoffe ? 0,02 bis 0,1 W(mK)-1
Die Wärmeleitzahl lässt sich am einfachsten für
feste Körper bestimmen. Bei Flüssigkeiten und
Gasen treten aufgrund von Temperaturdifferenzen
Strömungen auf. Dabei wird zusätzlich Wärme durch
Bewegung von Materieteilchen verschiedenen
Wärmeinhaltes transportiert. Die Anwendung von ?
-Werten ist dann nur noch bedingt möglich. So
werden beispielsweise ? -Werte für Luftschichten
zwischen Fensterscheiben angegeben, welche die
Wärmeströmung (Konvektion) mitberücksichtigen.
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1.5 Wärmeübergang Wärmetransport an der
Mediengrenze Baustoff Luft 1.5.1 Grenzschicht
und Wärmeübergang
Am Übergang vom wärmeleitenden Festkörper zu
einem gasförmigen Wärmeträger entsteht in einer
sog. Grenzschicht aufgrund des thermischen
Auftriebs eine Strömung. Innerhalb dieser
Übergangsschicht existiert wegen der
Temperaturdifferenz zwischen Festkörperoberfläche
und Gas ein Temperaturgradient. Der
Wärmetransport durch diese Grenzschicht erfolgt
neben Wärmeleitung im Gas hauptsächlich durch
Konvektion (Wärmeströmung) und Strahlung.
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1.5.2 Der Wärmeübergangskoeffizient a Nicht
lineares Grenzschichtproblem ist rechnerisch
schwer erfassbar. Analogie zur Wärmeleitung der
Wärmeübergang in erster Näherung durch einen
Wärmeleitwert - den sog. Wärmeübergangskoeffizient
en a dargestellt. Dieser Koeffizient gibt an,
welcher Wärmestrom Q/t im stationären Zustand bei
einer Temperaturdifferenz von 1 K durch 1 m2
Übergangsfläche fließt...
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Flüssigkeit,
L Leitung
K Konvektion S Strahlung
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Beispiele von Geschwindigkeits- und
Temperaturprofilen in der laminaren Grenzschicht
der Luft entlang einer vertikalen
Platte a)          freie Konvektion, b)         
erzwungene Konvektion, Tw gt TL c)         
erzwungene Konvektion, Tw lt TL
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• Der konvektive Anteil aK am Wärmeübergang
• freie Konvektion, Strömung durch thermische
  Auftriebskräfte bei konstantem Druck
  (Dichteänderungen), laminar oder turbulent
• - erzwungene Konvektion, Strömung infolge
  Druckdifferenz (z.B. Winddruck), vorwiegend
  turbulent.

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Die gesamte, sich aus allen drei Transportarten
zusammensetzende Wärmeübertragung einer
Wandoberfläche an die Luft bezeichnet man als
Wärmeübergang. Der Wärmetransport durch
Konvektion an Oberflächen wird hauptsächlich von
folgenden Parametern beeinflusst -   
Temperaturdifferenz Wandoberfläche - Luft -   
Windgeschwindigkeit (vW) -    Art der Strömung
laminar - turbulent (Reynoldszahl Re) -   
Wärmestromrichtung (horizontal, vertikal auf-
oder abwärts) -    Oberflächenbeschaffenheiten
(Rauhigkeit Ro) -   Geometrie und Abmessungen des
Bauteils (Ecken, Nischen etc.) - Art des
Mediums (z.B. Wasser, Öl, Gas))


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Der Wärmeübergangskoeffizient aK Funktion der
Temperaturdifferenz für den Fall freier
Konvektion und turbulenter Strömung (z.B. Wand-
und Deckenoberfläche gegen Innenräume)

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Abhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten aK
von der Windgeschwindigkeit bei turbulenter
Strömung (z.B. Außenoberfläche einer Wand)


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Der Strahlungsanteil a S am Wärmeübergang
Der Energieaustausch durch Wärmestrahlung
zwischen zwei Oberflächen wird primär durch
folgende Faktoren bestimmt
-   Temperatur der Oberflächen (To4 K) -  
Strahlungseigenschaften der Oberflächen Absorpti
ons - resp. Emissions- und Reflexionsvermögen (a
e ? ) - gegenseitige Lage der Flächen (Form- oder
Winkelfaktor Fjn)

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Mittlere Wärmeüberganqskoeffizienten a S


a S 4,6 W (m-2 K-1) Oberflächen gegen
annähernd gleich warme Körper a S 2,3
W(m-2 K-1) Raumseite von Außenwandecken,
Oberflächen gegen kalte Körper und Fenster
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Rechenwerte für den Wärmeübergangskoeffizienten a
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Wärmeübergangskoeffizienten ?K W (m-2 K -1)
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Normalfall folgende Werte für den
Wärmeübergangswert ? einsetzen

• Bei inneren Oberfläche
• Wärmestrom horizontal / vertikal nach oben
• Wärmestrom vertikal nach unten
• Bei äußeren Oberflächen
• direkte Luftberührung (mittlere
  Windgeschwindigkeit 3 ms-1)
• Hinterlüftung, raumseitig des Luftspaltes
• Bei endberührten Bauteilen gilt

8 W (m-2 K -1)
6 W (m-2 K-1)
20 W (m-2 K-1)
15 W (m-2 K -1)
1/ ?K 0
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1.5.3 Wärmeübertragung in Luftschichten
Beim Wärmefluss durch Luftschichten spielt die
Wärmestrahlung eine dominierende Rolle.
Zusätzlich wird Wärme in dünneren Schichten
vorwiegend durch Wärmeleitung transportiert, bei
dickeren hingegen macht sich hauptsächlich der
Einfluss der Konvektion bemerkbar.
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Berechnungen mit ebenen Luftschichten (sowohl
Wärmeleitung, wie auch Strahlung und Konvektion
sind in diesen Werten mitberücksichtigt)
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1.6 Wärmedurchgang (Stationärer Fall)
I Q/t





Q/t
Wärmedurchgangskoeffizient
Q/t
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Mehrere Wandschichten
Ableitung analog wie oben


... Wärmedurchgangskoeffizient ...
Wärmedurchgangswiderstand ... Wärmeübergangswiders
tand ... Wärmedurchlässigkeit der Wand ...
Wärmedurchlässigkeitswiderstand der Wand
(DÄMMWERT)
.. .Wärmedurchgangskoeffizient ..
.Wärmedurchgangswiderstand .. .Wärmeübergangswider
stand ...Wärmedurchlässigkeit der Wand ..
.Wärmedurchlässigkeitswiderstand der Wand
(DÄMMWERT)

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Wärmeübergangswiderstand außen 1/?A Wärmeübergangs
widerstand innen 1/?I WÄRMEDURCHGANGSWIDERSTAND
1/k
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Der WÄRMEDURCHGANGSKOEFFIZIENT k gibt den
Wärmestrom an, der im stationären Zustand durch 1
m2 eines Bauteiles (Regelquerschnitt!) senkrecht
zur Oberfläche fließt, wenn in den beidseitig
angrenzenden Räumen ein Temperaturunterschied von
1 K herrscht.



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Die (Wärme-) Isolierfähigkeit einer Konstruktion
ist umso besser, je kleiner der Wärme-
Durchgangskoeffizient k schlecht isolierte
Wände k gt 1.0 massig isolierte Wände k 0.6 -
1.0 gut isolierte Wände k 0.4 - 0.6 sehr gut
isolierte Wände k lt 0.4

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Ermittlung des Temperaturverlaufes im Bauelement

Bei bekanntem K-Wert lässt sich nun der
Wärmestrom q durch ein Bauelement bei gegebener
stationärer Temperaturdifferenz ?? ? 1 ? 2
berechnen
Q/(tA)
In einer Schicht j mit der Dicke dj und der
Wärmeleitzahl ?j tritt ein Temperaturgefälle ?
Tj/?xj auf
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Wärmewiderstand-Temperatur-Darstellung
Natürlicher Maßstab
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k-Werte ausgewählter Wand- and
Decken-/Dachkonstruktionen
50
Einschichtige Wand (beidseitig verputzt)
Wand mit Außenisolation
Zweischalenmauerwerk




Holz-Ständerbau
Leichtwand
Holz-Blockbau
51
Ziegeldach nicht isoliert



Ziegeldach isoliert
52
Kieseldach auf Betondecke
Kieseldach auf Holzschalung