Die konstruktive Zusammensetzung von Bauteilen der Gebäudehülle ist ein entscheidendes Kriterium für den Energieverbrauch von Gebäuden. Die Absolvent*innen des Studienganges Smart Building Engineering and Management können die Energieeffizienz von Bauteilen analysieren und optimieren. Dafür lässt sich der Wärmedurchgang durch einen festen Körper – z.B. eine Außenwand – mit der Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) bestimmen. Dieser gibt den Wärmestrom (Wärmeenergie pro Zeiteinheit) für 1 m² eines ebenen Bauteils bei 1 Kelvin Temperaturunterschied zwischen der Innen- und Außenseite des Bauteils an.

Der U-Wert wird durch die Dicke der Bauteilschichten (\(d_i\)) und deren Wärmeleitfähigkeit ( \(λ_i\)) bestimmt. Außerdem gehen die Wärmestrahlung und die Konvektion an den Oberflächen der Bauteile mit dem äußeren Wärmeübergangswiderstand (\(R_{se}\)) und dem inneren Wärmeübergangswiderstand (\(R_{si}\)) in die Berechnungen ein. Je höher der U-Wert eines Bauteils, desto größer ist der Wärmedurchgang bzw. je geringer der U-Wert desto geringer ist der Wärmedurchgang. Ein Bauteil mit einem geringen U-Wert hat also eine gute Wärmedämmung.

Mit untenstehender Formel lässt sich der Wärmedurchgangskoeffizient näherungsweise berechnen. Dabei werden stationäre Verhältnisse vorausgesetzt, d.h. es wird angenommen, dass die Temperaturen auf beiden Seiten des zu berechnenden Bauteils konstant sind. Der Wärmedurchgangswiderstand \(R_T\) ist der Kehrwert des Wärmedurchgangskoeffizienten.  

\(U=\frac{1}{R_T} =\frac{1}{R_{se}+\frac{d_1}{λ_1} +\frac{d_2}{λ_2} …+R_{si}}\) \([W/m²K] \)

mit

\(U\): Wärmedurchgangskoeffizient \([W/m^2 K]\), \([Ws/sm^2 K]\)

\(R_T\): Wärmedurchgangswiderstand \([m^2 K/W]\)

\(R_{se}\): äußerer Wärmeübergangswiderstand \([m^2 K/W]\), bei Außenwänden \(0,04\ m^2 K/W\)

\(d_i\): Schichtdicke der Schicht Nummer \(i \ [m]\)

\(λ_i\): spezifische Wärmeleitfähigkeit dieser Schicht \([W/mK]\)

\(R_{si}\): innerer Wärmeübergangswiderstand \([m^2 K/W]\), bei Außenwänden \(0,13\ m^2 K/W\)

Aufbau Außenwand 1 Außenputz: \(d = 0,015\ m\), \(λ = 0,38\ W/mK\) Leichthochlochziegelmauerwerk: \(d = 0,365\ m\), \(λ =0,34\ W/mK\) Innenputz: \(d = 0,015\ m\), \(λ = 0,70\ W/mK\)	Aufbau Außenwand 2 Außenputz: \(d = 0,015\ m\), \(λ = 0,38\ W/mK\) Mineralwolledämmung: \(d = 0,10 \ m\), \(λ = 0,035\ W/mK\) Leichthochlochziegelmauerwerk: \(d = 0,24\ m\), \(λ = 0,34\ W/mK\) Innenputz: \(d = 0,015\ m\), \(λ = 0,70\ W/mK\)

Die Energieeffizienz eines Gebäudes ist entscheidend für den Energieverbrauch und damit auch für die daraus resultierenden Umweltauswirkungen. Dabei spielen verschiedene Faktoren eine Rolle. Neben der Dämmung der Gebäudehülle und der Dichtheit der Gebäudehülle ist unter anderem auch das Verhältnis der Außenfläche (Fläche der Gebäudehülle) zum Gebäudevolumen (A/V-Verhältnis) ein wichtiger Faktor für den Energieverbrauch.

Das A/V-Verhältnis wird bei dem Entwurf eines Gebäudes festgelegt. Die Absolvent*innen des Studienganges Smart Building Engineering and Management werden in zunehmendem Maße bei der Planung von Gebäuden eingebunden, da sie nicht nur die Errichtung der Gebäude und die dabei entstehenden Baukosten, sondern auch die Nutzungsphase und damit den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes berücksichtigen. Die während der Nutzungsphase entstehenden Baunutzungskosten machen über den gesamten Nutzungszeitraum in der Regel ein Vielfaches der Errichtungskosten aus. Die Energieverbrauchskosten sind dabei ein wichtiger Bestandteil der Baunutzungskosten.

Das A/V-Verhältnis wirkt sich insofern auf den Energieverbrauch aus als über jeden Quadratmeter der Gebäudehüllfläche Wärme abgegeben wird. Dies gilt sowohl für die Winterzeit, in der ein Wärmestrom von innen nach außen stattfindet (Heizenergiebedarf) als auch für die Sommerzeit mit einem Wärmestrom von außen nach innen und dem daraus resultieren Kühlenergiebedarf.

Je geringer das A/V-Verhältnis ausfällt, desto günstiger ist das Verhältnis von Außenfläche zu Gebäudevolumen und damit der Energieverbrauch. Der in diesem Sinne günstigste Baukörper wäre bei gegebenem Gebäudevolumen eine Kugel, die sich natürlich nur extrem aufwändig baukonstruktiv realisieren lässt und deshalb praktisch keine Rolle spielt. In der Baupraxis gibt es sehr viele andere unterschiedliche Baukörper, die je nach geometrischer Konstellation sehr unterschiedliche A/V-Verhältnisse aufweisen. Dabei ist es grundsätzlich auch so, dass bei zunehmendem Gebäudevolumen das A/V-Verhältnis bei allen Baukörpern abnimmt, da die Oberfläche in der zweiten Potenz und das Volumen in der dritten Potenz zunimmt.

In den Abbildungen 4-6 sind drei verschiedene Hochhäuser dargestellt. Ermitteln Sie, soweit es sich aus den Abbildungen herauslesen lässt, welches der drei Gebäude das günstigste A/V-Verhältnis aufweist. Vereinfachend wird davon ausgegangen, dass die Gebäudevolumina bei allen drei Gebäuden gleich sind, was in der Realität nicht der Fall ist.

Die Thermografie ist ein Wärmebildverfahren, mit dem unter anderem die Wärmedämmung von Gebäuden analysiert werden kann. Die Absolvent*innen des Studienganges Smart Building Engineering and Management verwenden die Thermografie, um die Gebäudehülle (Außenwände, Fenster, Dachflächen) bestehender Gebäude energetisch zu untersuchen und gegebenenfalls energetische Verbesserungen zu veranlassen.

Dieses kontaktlose, visualisierende Wärmebildverfahren beruht darauf, dass die Oberflächen von Gebäuden eine für das menschliche Auge unsichtbare Infrarotstrahlung abgeben, die von den Wärmebildkameras in elektronische Signale umgewandelt wird. Hierbei kommen spezielle Kameras zum Einsatz, welche die Infrarotstrahlung im Wellenbereich von ca. 4 bis 15 μm empfangen und in Graustufen auflösen können. Zur besseren Bilderkennung werden die Graustufen in sogenannte Falschfarben umgewandelt. Je höher die Oberflächentemperatur ist, desto mehr verschiebt sich das ausgestrahlte Spektrum zu kürzeren Wellenbereichen. Durch die Abbildung unterschiedlicher Oberflächentemperaturen kann so die energetische Qualität der Gebäudehüllen analysiert werden.

Bei der thermographischen Gebäudeuntersuchung können Energieverluste infolge fehlender oder fehlerhafter Dämmung identifiziert oder der Ursprung von Luftundichtigkeiten geortet werden.

Beispielsweise ist das Erkennen von Wärmebrücken möglich, die eine vermehrte Wärmestrahlung und damit eine höhere Oberflächentemperatur aufweisen und deshalb zu einem größeren Energieverbrauch führen. Durchfeuchtete Bauteile, die aufgrund der erhöhten Feuchte eine erhöhte Wärmestrahlung abgeben, lassen sich ebenso identifizieren.

Die Absolvent*innen des Studienganges Smart Building Engineering and Management sind damit in der Lage, Sanierungskonzepte zu entwickeln und umsetzen zu lassen.

Bestimmen Sie anhand der beiden nachstehenden Abbildungen, welches der beiden Gebäude die bessere Wärmedämmung aufweist. Bitte beachten Sie die beiden unterschiedlichen Temperaturskalen.