Wärmespeichervermögen von Außenwänden

Sonne bunkern

Viele Altbauten zeichnen sich durch besonders dicke Außenwände aus. Wenn eine Dämmung der Fassaden unerwünscht ist, stellt sich die Frage, ob das Wärmespeichervermögen der Wand ausreicht, um die energetischen Ansprüche der EnEV zu erfüllen. Eine Alternative ist die Innendämmung – wie aber wirkt sich diese auf die Speicherfähigkeit aus?

Bei der energetischen Sanierung von Bestandgebäuden stellt sich in der Regel die Frage nach einer zusätzlichen Dämmung der Außenwände. Üblich sind heute außenseitige Wärmedämmverbundsysteme (WDVS), überwiegend auf Basis einer Wärmedämmung aus Polystyrol. Bei denkmalgeschützten Fassaden kommt jedoch eine solche Lösung nicht in Frage – eine Dämmung ist nur auf der Innenseite möglich. Eine Innendämmung wird vielfach bauphysikalisch als „kritisch“ bewertet. Zu den dabei ins Feld geführten Argumenten gehören sowohl die „Deaktivierung“ der Wärmespeicherfähigkeit als auch die Problematik einer „Feuchtefalle“ – eine Diskussion, die vor dem Hintergrund einer möglichen Schimmelpilzbildung und deren gesundheitsschädlichen Folgen durchaus berechtigt ist, sich bei sachgerechtem Umgang mit dieser Thematik allerdings als unproblematisch erweist.

Spezifische Wärmekapazität

Das Wärmespeichervermögen oder die Wärmekapazität eines Stoffes hängt ab von seiner Materialität (molekularer Aufbau), seiner Rohdichte (linear zunehmend mit der Masse) und der Temperatur (für bauliche Fragestellungen vernachlässigbar). Die kennzeichnende Stoffeigenschaft ist die spezifische Wärmekapazität (Einheit J je kg Masse und K Temperaturdifferenz). Diese gibt an, wie viel Energie benötigt wird, um 1 kg eines Baustoffes um 1 K zu erwärmen – je besser die Wärmeleitfähigkeit eines Baustoffs, desto weniger Energie ist für seine Erwärmung nötig. Die spezifische Wärmekapazität ist für alle mineralische Baustoffe nahezu gleich; sie beträgt etwa 850 J/(kgK). Bei bauüblichen Kunststoffen fällt die Wärmekapazität bis zu 30 Prozent höher aus und bei Holz und Holzwerkstoffen ist der Wert mehr als doppelt so hoch. Grund ist vor allem der Feuchtegehalt, denn Wasser hat mit 4183 J/(kgK) Wärmekapazität fast den fünffachen Wert üblicher Baumaterialien.

Setzt man als Rohdichte für die Außenwand eines älteren Gebäudes 1600 kg/m3 an, so erreicht eine 24 cm dicke Wand bereits eine Wärmespeicherfähigkeit von 326 kJ/(m2K) oder circa 90 Wh/(m2K). Dies entspricht fast der vierfachen Heizenergiemenge, die man für einen Quadratmeter eines Bauteils mit einem U-Wert von 1 W/(m2K) pro Jahr aufwenden muss, um komfortable Innentemperaturen zu gewährleisten! Ausgehend von einem mittleren Temperaturunterschied von 15 K zwischen innen und außen über die gesamte Heizperiode, würde sich demnach eine Heizungsanlage erübrigen, wenn gewährleistet wäre, dass die Sonne die Außenwand um 4 K über die Innentemperatur aufheizt. Diese sehr theoretische und praxisferne Überlegung verdeutlicht, warum der Wärmespeicherfähigkeit der Außenwände schon immer eine besondere Rolle zugeschrieben wird.

Stationäre und instationäre Betrachtungen

Natürlich lehrt uns die eigene Erfahrung, dass mit abnehmendem Dämmvermögen der Heizaufwand deutlich steigt. Dies liegt daran, dass die Speicherfähigkeit der Außenwände nur in einem sehr geringen Maße „aktiviert“ werden kann, da die Sonne eine Wand nicht den ganzen Tag über bescheint. Hinzu kommt, dass speziell im Winter die Sonnentage rar sind und die nächtliche Auskühlung der Wand beträchtlich ist. Bild 01 verdeutlicht, dass es im Winterhalbjahr selbst bei einer hohen solaren Einstrahlung nur zu einer temporären Einspeicherung von Wärme kommt. Das Diagramm zeigt einen Frühlingstag, bei dem es durch die schräg stehende Sonne schon zu einer deutlichen Aufheizung der äußeren Wandoberfläche kommt, bei allerdings noch kalten Nächten. Daher „schwingt“ die Außenlufttemperaturamplitude (Bild 02) praktisch um die Innenlufttemperatur(-amplitude) – ein „Wärmegewinn“ ist im Verlauf der Heizperiode also auch während der Tage mit Sonneneinstrahlung nicht zu erwarten. Der Grund ist, dass die solaren Wärmegewinne praktisch nur die äußere Bauteilschicht betreffen und somit die nächtliche Auskühlung ausgleichen, die Wandinnenseite bleibt davon nahezu unberührt.

Trotz allem ergibt sich während strahlungsreicher Tage ein deutlich geringerer Wärmeverlust, als es bei einer stationären Betrachtung und Berechnung nur über den U-Wert den Anschein hat. Somit führt die solare Einstrahlung auf eine Außenwand in Verbindung mit deren Wärmespeicherfähigkeit zu reduzierten Wärmeverlusten. Im Winterhalbjahr fallen die Transmissionswärmeverluste durch diesen Effekt um bis zu 20 Prozent geringer aus (Bild 03). Dazu ist jedoch anzumerken, dass dieser instationäre – das heißt von der Zeit abhängige – Vorgang von der Wärmefähigkeit, der Rohdichte, dem Feuchtegehalt der Wärmespeicherfähigkeit, der Wanddicke, der Wandfarbe und den Temperaturund Strahlungsverhältnissen abhängt. Über die Heizperiode betrachtet, ist die beschriebene Vereinfachung für übliche Wandaufbauten indes gerechtfertigt. Die Berücksichtigung der Strahlungsabsorption kann und darf gemäß EnEV berücksichtigt werden. Allerdings haben nicht alle EnEV-Programme diesen Therm.

Was bewirkt eine Außendämmung?

Bei der üblichen energetischen Sanierung mit Wärmedämmverbundsystemen werden die solaren Wärmegewinne „außen vor gelassen“. Ein Blick auf Bild 04 zeigt jedoch, dass sich qualitativ bei einer gedämmten Wand der gleiche bauphysikalische Vorgang abspielt wie bei der monolithischen, massiven Wand. Über den Heizabschnitt betrachtet, verringern sich die Transmissionswärmeverluste, jedoch geringfügiger als bei der monolithischen Wand, beziehungsweise der Gradient der Wärmeverlustminderung (Bild 03) verläuft flacher. Durch die außenliegende Wärmedämmschicht tritt allerdings eine wesentliche Änderung ein, die von WDVS-Systemanbietern auch beachtet wird: Infolge des geringfügigeren Energietransports in der Wärmedämmung kommt es bei Sonneneinstrahlung zu einem „Wärmestau“: Die Temperatur der äußeren Wandoberfläche fällt höher aus als bei einem weniger dämmenden und wärmespeichernden Material. Zum anderen kühlt die Oberfläche infolge der nächtlichen Wärmeabstrahlung stärker aus; je nach Gegenstrahlung (also bei dichter Bebauung deutlich weniger) wird hierbei auch die Lufttemperatur unterschritten; auf jeden Fall häufig der Taupunkt. Dieser Mechanismus sorgte in der Vergangenheit für den sogenannten „Leopardeneffekt“ (Abzeichnen der Dübel) und die Grünbildung an wärmegedämmten Fassaden. Moderne WDVS verhindern diese Effekte durch „Thermoanker“ und einen fungizid eingestellten Oberputz.

Was bewirkt eine Innendämmung?

Bei der Innendämmung (Bild 05) findet der zuvor beschriebene „Wärmestau“ an der nunmehr innenliegenden Wärmedämmschicht statt. Die Wand speichert bei Sonneneinstrahlung mehr Energie, „unterkühlt“ bei fehlender Einstrahlung jedoch komplett. Zwar sind diese Effekte ausgeprägter als bei einer monolithischen oder außenseitig gedämmten Wand, allerdings machen sie sich – bedingt durch die innenseitige Dämmschicht – auf der Innenoberfläche der Außenwand kaum bemerkbar. Qualitativ gesehen, kommt es in diesem Fall auch durch die solare Einstrahlung zu einer Verminderung der Wärmeverluste gegenüber der stationären Betrachtungsweise. Bei der detaillierten instationären Berechnung wird hinsichtlich der genannten Faktoren die Masse der Innendämmung und deren Dicke einen stärkeren Einfluss haben, da Innendämmungen in der Regel deutlich dünner ausfallen als ein WDVS. Sollte es zudem zu einer Feuchteanreicherung in der Wand kommen, beeinflusst dies die energetische Situation erheblich. Wegen der deutlich geringeren Wärmespeicherung kühlt die innenseitig gedämmte Wand bei einer nächtlichen Raumtemperaturabsenkung einerseits schneller aus, andererseits lässt sich der Raum am nächsten Tag wieder schneller aufheizen, da der Wärmeeindringkoeffizient viel kleiner ist.

Wärmespeichereffekte des gesamten Gebäudes

Wie dargelegt, reduzieren sich Transmissionswärmeverluste durch den Eintrag von Solarenergie in Verbindung mit der Wärmespeicherfähigkeit der Außenwände. Maßgeblich sind jedoch nicht die Außenwände allein, sondern die „Temperaturträgheit“ des Gebäudes insgesamt. Es kommt also auch auf das Wärmespeichervermögen aller Innenbauteile an, insbesondere der Betondecken. Es ist nachgewiesen, dass in einem Wohnhaus mit hoher Wärmespeicherfähigkeit gegenüber einer Bauweise mit geringem Wärmespeichervermögen zwischen zwei und fünf Prozent an Heizenergie eingespart werden kann – und zwar unabhängig davon, ob es sich um ein Reihenhaus, ein frei stehendes Einfamilienhaus oder ein Mehrfamilienhaus handelt. Neben der Nachtabsenkung und Anlagentechnik spielen dafür insbesondere die Gebäudegeometrie und -orientierung eine Rolle, da in den Jahresübergangszeiten solare Wärmegewinne über die Fenster ins Gebäudeinnere gelangen und dort – soweit aktivierbar – in massiven Bauteilen zwischengespeichert werden. Eine Innendämmung führt in diesem Fall zu geringfügig schlechteren Werten als eine Außendämmung, da die Außenwände von diesem inneren Energiegewinn „abgeschottet“ sind. Dieser nachteilige Effekt vergrößert sich, wenn zum Beispiel Holzbalkendecken oder abgehängte Decken das Wärmespeichervermögen weiter reduzieren.

Sommerlicher Wärmeschutz

Der Wärmespeichereffekt des gesamten Gebäudes beziehungsweise kritischer Räume macht sich auch im Sommer bemerkbar, wenn es darum geht, eine Überhitzung der Räume infolge des solaren Wärmeeintrags durch die Fenster zu verhindern. Anders als im Winter wird dabei die Wärme von der Innenseite her in die Außenwände eingespeichert; dabei ist zwangsläufig eine Innendämmung die ungünstigere Lösung. Generell aber gilt: An erster Stelle steht die Gewährleistung einer ausreichenden Verschattung beziehungsweise das Verhindern übermäßiger Sonneneinstrahlung, erst danach kommt das innere Wärmespeichervermögen zum Tragen, wobei alle inneren Oberflächen relevant sind.

Kompensiert eine sehr massive Außenwand die Wärmedämmung?

Die Frage, ob sehr massive Außenwände einen gleichwertigen Effekt haben wie zusätzlich gedämmte, ist eindeutig zu beantworten: Nein, aber! Zwar „überbrücken“ massive Wohngebäude erste kalte Nächte, bis hin zu einer Woche, aber letztlich gilt: Sobald zur Aufrechthaltung der Innenraumtemperatur geheizt werden muss, sind Wände mit hohem Wärmedurchlasswiderstand besser als solche ohne. Dies gilt auf jeden Fall in Ländern mit gemäßigt kaltem Klima wie Deutschland; mit zunehmendem Strahlungsangebot relativiert sich diese Aussage allerdings.

Nachgewiesen ist zudem, dass massive Gebäude – zum Teil deutlich – weniger Heizenergie benötigen als erwartet bzw. berechnet. Dies gilt insbesondere für massive Stadthäuser in Reihenbauweise. Die Gründe haben allerdings nur zum Teil mit den massiven Außenwänden zu tun. Die im Verhältnis geringe wärmeübertragende Hüllfläche, die innerstädtische, langwellige Gegenstrahlung, die homogene, wärmebrückenarme Bauweise, die solaren Wärmeeinträge, die Wärmespeicherfähigkeit, der Feuchtehaushalt und die in der Regel gegenüber der theoretischen Annahme besseren Wandziegel sind Teilaspekte. Auch wenn ein verbesserter Wärmedurchlasswiderstand grundsätzlich besser ist, lohnt sich nicht jede nachträgliche Wärmedämmung. Dies hat viele Gründe, die Massivität der Außenwand ist nur einer davon. Wesentlich sind weitere, konstruktive Elemente wie die Homogenität der (zusätzlichen) Dämmung und das Zusammenspiel der zuvor genannten Faktoren. Dabei gilt grundsätzlich: Eine Innendämmung ist weniger effektiv und im konkreten Fall baukonstruktiv komplexer als eine Außendämmung. Insbesondere gilt: Je mehr Wärmebrücken wie Wand-/Deckeneinbindungen, Fensterlaibungen, Eingangssituation usw. trotz zusätzlicher Wärmedämmung hinzunehmen sind, desto konkreter sollte die Fachanalyse sein. Für alte, massive Häuser mit einem Jahresheizwärmebedarf von unter 150 kWh/(m2a) sollte eine detailierte Analyse erstellt werden. Bei Gebäuden unter 100 kWh/(m2a) wird sich eine zusätzliche Wärmedämmung – insbesondere auf der Innenseite – nicht lohnen.

Feuchteverhalten unterschiedlicher Dämmsysteme

Noch bis vor wenigen Jahren galt eine Innendämmung als „bauphysikalischer Fauxpas“. Grund war die technische Berechnung des Feuchteschutzes von Wandkonstruktionen mit Hilfe des sogenannten Glaser-Verfahrens. Wie in Bild 06 erkennbar, kommt es im Winterhalbjahr bei einer Innendämmung bereits innerhalb der Dämmschicht zu einer deutlichen Temperaturverminderung. Bild 06 zeigt die Wasserdampfsättigungs- und -teildruckkurven für eine innenseitig gedämmte Wand. Da übliche Wandkonstruktionen diffussionsoffen sind, kommt es bei der Innendämmung zwangsläufig an der Grenzschicht zwischen Dämmung und Mauerwerk zu einer Unterschreitung des Taupunkts, das heißt, es fällt (rechnerisch) Tauwasser aus. Je nach normativen Randbedingungen können sich Tauwassermengen von bis zu drei Litern pro Quadratmeter und mehr ergeben.

Wie viel Tauwasser jedoch tatsächlich ausfällt, hängt erstens davon ab, wie dampfdicht der Wandaufbau ist, ob die Bauteilschichten überhaupt Wasser aufnehmen können und wenn ja, in welcher Form Feuchtigkeit eingespeichert wird. Zweitens stellt sich die Frage, ob diese eingelagerte Feuchtigkeit im Sommer wieder ausdiffundieren kann, wobei die Kapillarität mindestens genauso wichtig ist.

Prinzipiell müssen bei einer Innendämmung daher feuchteempfindliche Bauteilschichten zusätzliche Anforderungen an den maximalen Feuchteausfall einhalten. Baustoffe, die kaum Feuchtigkeit aufnehmen können, wie zum Beispiel organische Schaumkunststoffe, sind für diese Art der Dämmung praktisch normativ auszuschließen. Interessanterweise ist die Innendämmung in Frankreich in vielen Regionen zur Regelkonstruktion geworden – und Berichte über auffällige Bau- schäden sind nicht bekannt.

Wasserdampfdiffusion als Schlüsselkriterium

In Deutschland wurde das Tauwasserproblem zuerst über innenliegende Dampfsperren gelöst; eine Folie sollte verhindern, dass überhaupt Feuchtigkeit in die Wandkonstruktion eindringt – eine Lösung, die im Dachbereich üblich ist. Da sich Fensteranschlüsse, Durchdringungen wie Steckdosen, aber auch schon Dübel als problematisch erweisen, setzt man heute verstärkt auf dampfdiffussionsoffene Konstruktionen. Dafür muss eine Außenwand mit Innendämmung zwei wesentliche Merkmale aufweisen:

  1. die Außenwandbeschichtung muss diffussionsoffen sein und
  2. die Innendämmung muss über ein hohes Wasseraufnahmevermögen verfügen.

Diese Merkmale setzen die – richtige – Erkenntnis in die Praxis um, dass die normativen Randbedingungen „auf der sicheren Seite liegen“ und in der Realität neben einer relativ hohen Wasser-  beziehungsweise Feuchtespeicherung insbesondere Feuchtespitzen der Raumluft „abgepuffert“ werden müssen. Das bedeutet, dass sowohl an der Grenzschicht zwischen Innendämmung und Innenoberfläche der Außenwand viel Feuchtigkeit aufgenommen werden können muss, als auch, dass sich an der Oberfläche der Innenwandplatte keine hohe Luftfeuchte über einen längeren Zeitraum bildet. In Bezug auf die Feuchteaufnahme innerhalb der Bauteilschicht ist es wichtig, dass das Wasser in beide Richtungen, also nach außen und innen, ausdiffundieren kann sowie kapillar weitergeleitet wird. Die Feuchteaufnahme in der Platte beziehungsweise der Feuchtetransport von der Oberfläche in das Innere der Platte muss funktionieren, um ein „Schimmelklima“ zu verhindern.

Aufgrund des verbesserten Wärmeschutzes durch eine Innendämmung kommt es in der Regel zwar nicht mehr zu einer Taupunktunterschreitung auf der Bauteiloberfläche. Dennoch sollten Feuchtespitzen möglichst schnell von der Oberfläche wegtransportiert werden, da es zu gesundheitsschädlichem Schimmelbefall kommen kann, wenn die (Luft-)Feuchtigkeit über einen Zeitraum von etwa sechs Wochen mehr als 70 Prozent beträgt. Da die Innendämmung normalerweise auf den alten Putz aufgebracht wird, ist es wichtig, die Tragfähigkeit des Untergrundes sicherzustellen und auf eine ausreichende Durchtrocknung der vorhandenen Wand zu achten. Anstriche, Alttapeten und ähnliches sind ebenso zu entfernen wie Unebenheiten auszugleichen. Prinzipiell sollte auf ein abgestimmtes Innenwanddämmsystem eines Herstellers zurückgegriffen werden, alleine schon aus Fragen der Gewährleistung.

Wärmespeichervermögen von Außenwänden wird oft überschätzt

Der Wärmespeichereffekt von Außenwänden führt generell zu einer Temperaturträgheit des Gebäudes. Je dicker das Mauerwerk, desto mehr Wärme kann eine Wand speichern und umgekehrt. Allerdings wirkt sich dieser Effekt auf die Raumtemperatur umso schwächer aus, je dicker die Wand ist, da aufgrund der unsteten Klimabedingungen meist nur wenige Zentimeter einer Mauerwerkswand thermisch „aktiviert“ werden können. Trotzdem kann der Speichereffekt das Wohlbefinden der Bewohner positiv beeinflussen, da kurzfristige Temperaturspitzen abgeschwächt werden, was nicht zuletzt auf die zumeist sehr hohen Wärmeleitfähigkeiten der in Altbauten vorhandenen Baustoffe zurückzuführen ist.

Aus den hier dargestellten instationären Betrachtungen lässt sich schließen, dass zum Beispiel das Wärmespeichervermögen eines monolithischen Mauerwerks in Verbindung mit solarer Einstrahlung (je nach Klima und Standort) dazu beitragen kann, dass sich die Transmissionswärmeverluste geringfügig reduzieren. Allerdings reicht diese Reduktion bei Weitem nicht aus, um den Heizenergiebedarf auf ein Niveau zu senken, wie dies zum Beispiel in der EnEV 2009 gefordert wird.

Ungeachtet dessen kann die temporäre Speicherung von Wärmeenergie kurzfristig die Raumtemperatur positiv beeinflussen. Maßgeblich für das Raumklima sind indes vor allem die winterlichen Transmissionswärmeverluste, die sich durch den Wärmespeichereffekt auf lange Sicht nicht ausgleichen lassen. Will heißen: Weder die Restwärme der sommerlichen Solarstrahlung im Mauerwerk noch die tief stehende Sonne im Winter reichen aus, um die Heizungsanlage spürbar zu entlasten beziehungsweise das außen- oder innenseitige Dämmen der Außenwand überflüssig zu machen.

Der Autor Hans Peters ist Geschäftsführer des Instituts Bauen und Umwelt e.V.