Wärmedurchgangskoeffizient / U-Wert

 

Der Wärmedurchgangskoeffizient, auch U-Wert (in der Bauphysik früher k-Wert[1]) genannt, ist ein Maß für den Wärmedurchgang von einem Fluid (ein Gas oder eine Flüssigkeit) durch einen festen Körper (etwa eine Wand) in ein zweites Fluid aufgrund eines Temperaturunterschiedes zwischen den Fluiden.  Im Fall einer ebenen Wand gibt er den Wärmestrom (Wärmeenergie pro Zeit) je Fläche der Wand und je Kelvin Temperaturunterschied der beiden Fluide an. Seine SI-Einheit ist daher W/(m²·K) (Watt pro Quadratmeter und Kelvin). 

 

Als Formelzeichen wird in der Regel k (vor allem in Maschinenbau und Verfahrenstechnik) oder U (vor allem im Bauwesen) verwendet. Der Wärmedurchgangskoeffizient ist abhängig von den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen dem festen Körper und den Fluiden sowie der Wärmeleitfähigkeit und Geometrie des festen Körpers. Die folgenden Ausführungen gelten im Bauwesen und sind spezielle Fälle der Verfahrenstechnik und des thermischen Apparatebaues.

 

Der Wärmedurchgangskoeffizient ist ein spezifischer Kennwert eines Bauteils. Er wird im Wesentlichen durch die Wärmeleitfähigkeit und Dicke der verwendeten Materialien bestimmt, aber auch durch die Wärmestrahlung und Konvektion an den Oberflächen.Anmerkung: Für eine Messung des Wärmedurchgangskoeffizienten sind stationäre Temperaturen wichtig, damit die Wärmespeicherfähigkeit der Materialien bei Temperaturänderungen das Messergebnis nicht verfälscht.Der Kehrwert des Wärmedurchgangskoeffizienten ist der Wärmedurchgangswiderstand RT in (K·m²)/W.[1].Je höher der Wärmedurchgangskoeffizient, desto schlechter ist die Wärmedämmeigenschaft des Stoffs.Je niedriger der Wärmedurchgangskoeffizient, (= je höher der Wärmedurchgangswiderstand), desto besser ist die Wärmedämmeigenschaft.Besonders weit verbreitete Anwendung findet der Wärmedurchgangskoeffizient im Bauwesen, wo er zur Bestimmung der Transmissionswärmeverluste durch Bauteile hindurch dient.

 

Messung des U-Wertes von Bauteilen und Materialien

 

Die Ermittlung genauer Wärmedurchlasskoeffizienten zur Zertifizierung von Baustoffkennwerten werden von Materialforschungs- und Prüfanstalten im Auftrag der Hersteller an komplexen Prüfeinrichtungen vorgenommen, um vergleichbare Bedingungen zu garantieren.

 

Daneben existieren aber noch drei weitere Methoden, um die Qualität der Gebäudeisolation vor Ort (in-situ) zu beurteilen: Wärmebildkamera, multiple Temperaturmessungen und die Wärmeflussmessung (U-Wert Messung).

 

Wärmebildkamera

 

Das Wärmebildverfahren (auch Thermografie genannt) wird zur Prüfung der Wärmedämmung von Häusern, zur Gebäudediagnostik/Energieausweiserstellung zur Strukturanalyse des Mauerwerks, zur Feuchte-Detektion in Wänden und Dächern und zur Lokalisierung von Rissen in Rohrleitungen eingesetzt. Ein Wärmebild hilft, die allgemeine Qualität der Isolation eines Gebäudes zu verstehen (Identifikation von Wärmebrücken, inhomogene Isolationsschichten). Wärmebildkameras produzieren jedoch keine quantitativen Daten (z.B. U-Wert), die für die Bewertung von Isolationen verwendbar sind. Somit kann diese Technik lediglich für die überschlägige Ermittlung des U-Wertes angewandt werden.

 

Mit multiplen Temperaturmessungen innen und außen am Gebäude und vereinfachenden Annahmen lässt sich ein Wärmefluss durch ein Gebäudeelement errechnen. Dieser Wärmefluss erlaubt die Bestimmung des U-Wertes. Diese Methode liefert quantitative Messergebnisse, ist aber für den praktischen Einsatz für In-Situ Messungen nur in wenigen Szenarien geeignet.

 

Mit einem speziellen Temperaturfühler zur U-Wert-Bestimmung, einem kompatiblen Messgerät und einem weiteren Temperaturfühler kann der Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) eines Bauteiles am Einsatzort (z. B. Baustelle) zerstörungsfrei ermittelt werden. 

 

 Für die Messung des U-Wertes werden ermittelt
Außentemperatur TA
Innentemperatur TI
Oberflächentemperatur Tw des Bauteiles (innen)

 

 Zur Messung der Außentemperatur wird ein Funkfühler verwendet

Alle Daten werden über ein Messprogramm im Messgerät aufgezeichnet, gespeichert und anschließend mit Hilfe der Software ausgewertet und dokumentiert. Die Messung der jeweiligen Temperaturen und die Ermittlung der Differenzen ist einfach. Für einigermaßen zuverlässige Messergebnisse müssen folgende Voraussetzungen erfüllt werden:
Temperaturdifferenz zwischen innen und außen, ideal > 15 K
konstante Bedingungen
keine Sonneneinstrahlung
keine Heizstrahlung im Messbereich
Für multiple Temperaturmessungen zur U-Wert Bestimmung eignen sich vornehmlich die Nacht- oder frühen Morgenstunden vor Sonnenaufgang

 

Multiple Temperaturmessungen – Spezialfall Fenster

Eine weitere Entwicklung zur Bestimmung des Ug Wertes ist das zweiteilige Ug-Wert Messgerät "Uglass" der Firma NETZSCH Gerätebau GmbH, das zusammen mit dem Bayerischen Zentrum für angewandte Energieforschung entwickelt wurde. Der zur Messung notwendige Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außenseite wird hier bei Bedarf durch aktives Aufheizen einer Glasseite sichergestellt. Dadurch liegt der Einsatztemperaturbereich zwischen -10 °C und +60 °C. Mit dem Messgerät lassen sich die Dämmwerte aller handelsüblichen 2-fach- und 3-fach-Gläser mit Ug-Werten zwischen 0,5 und 4 W/(m²K) bestimmen. Die Messgenauigkeit von Uglass liegt im Bereich von ± 10 % bei Ug-Werten über 1,0 W/m²K. Bei Ug-Werten unter 1,0 W/m²K beträgt die Messgenauigkeit ± 0,1 W/m²K. Messung und Auswertung werden von der Uglass Software automatisch vorgenommen.

Wärmeflussmethode

Bestimmung des U-Wertes

Sobald ein Temperaturunterschied zwischen zwei Seiten eines Gebäudeelements entsteht, fließt durch dieses Material Wärme. Die Wärmeflussmethode basiert auf diesem Effekt und misst den U-Wert mittels eines Wärmefluss-Sensors (Innenwand) sowie zwei Temperatursensoren (Innenraumlufttemperatur sowie Außenlufttemperatur). Da Temperaturunterschiede von 5 °C für eine zuverlässige Messungen ausreichen, funktioniert diese Methode im In-Situ Einsatz und ermöglicht die einfache Berechnung des U-Wertes jeglicher Baustoffe. Die Wärmeflussmethode ist in Standards (ISO 9869, ASTM C1046 und ASTM C1155) beschrieben. Um Messungen gemäß dieser Standards durchzuführen, muss die Messdauer mindestens 72 Stunden betragen. Für die Anwendung unter Praktikern kann aber auch eine kürzere Dauer ausreichen (abhängig vom Baustoff, Dicke, sowie Temperaturschwankungen vor Ort). In Kombination mit einer Software kann die Messung live an einem Laptop mitverfolgt werden und die gemessenen Werte können für weitere Berechnungsprogramme nutzbar gemacht werden. Somit kann der U-Wert, der ein Indikator für die Beurteilung der wärmetechnischen Eigenschaften der Gebäudehülle darstellt, ohne Materialzerstörung gemessen werden.

 

Bauteil Dicke U-Wert in W/(m²K)
Außenwand aus Beton ohne Wärmedämmung 25 cm 3,3
Außenwand aus Mauerziegeln 24 cm

36,5cm

ca. 1,5

ca. 0,8

Außenwand aus Mauerziegeln (17,5 cm)

mit Wärmedämmverbundsystem (PUR)

30 cm ca. 0,32
Außenwand Holzrahmenbau, wohnungstypischer Aufbau 25 cm 0,15 - 0,20
Außenwand aus Massivholz (ohne Wärmedämmung) 20,5 cm 0,5
Innenwand aus Mauerziegeln 11,5 cm 3,0
Innenwand aus Porenbeton 28 cm ca. 0,6
Fenster im Passivhausstandard ----- 0,5 - 0,8
Einfachfenster 4 mm 5,9
Fenster mit Wärmeschutzverglasung 2,4 cm ca. 1,3
Polystyrol 2 cm ca. 1,7
Polystyrol 10 cm ca. 0,35

 

hier z.b. können auch Sie ihren U-Wert berechnen

Energiesparhaus

Bedeutung für den Wärmeschutz

Nach der am 10. Oktober 2009 in Deutschland in Kraft getretenen Verordnung zur Änderung der Energieeinsparverordnung (EnEV) müssen der Jahres-Primärenergiebedarf QP und der spezifische Transmissionswärmeverlust H'T (bei Nichtwohngebäuden: mittlere Wärmedurchgangskoeffizienten der wärmeübertragenden Umfassungsflächen nach Art der Bauteile) eines zu errichtenden Gebäudes bestimmte Grenzwerte einhalten. U-Werte gehen in die Berechnung des Transmissionswärmeverlustes ein und dieser wiederum in die Berechnung des Primärenergiebedarfs. Ferner schreibt die EnEV Grenzwerte des Wärmedurchgangskoeffizienten bestimmter Bauteile vor, wenn diese in bestehenden Gebäuden ausgetauscht oder neu eingebaut werden.