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Obwohl das Hauptaugenmerk bei der Umweltverträglichkeit von Gebäuden heute auf dem Kohlenstoffverbrauch liegt, muss auch die thermische Leistung der Bausubstanz als wichtiger Faktor berücksichtigt werden. Die thermische Leistung wird in Form von Wärmeverlusten gemessen und in der Bauindustrie üblicherweise als U-Wert oder R-Wert angegeben. Berechnungen des U-Wertes sind immer erforderlich, wenn Konstruktionsstrategien festgelegt werden. Eine Reihe von Begriffen haben sehr ähnliche Bedeutungen, und im Internet finden sich widersprüchliche Interpretationen. Die verschiedenen Begriffe und ihre Beziehung zueinander werden in diesem Artikel erläutert.

U-Wert oder Wärmedurchgangskoeffizient (Kehrwert des R-Werts)

Der Wärmedurchgangskoeffizient, auch als U-Wert bezeichnet, ist die Wärmeübertragungsrate durch eine Struktur (die aus einem einzigen Material oder einem Verbundwerkstoff bestehen kann), geteilt durch den Temperaturunterschied in dieser Struktur. Die Maßeinheit ist W/m²K. Je besser eine Konstruktion isoliert ist, desto niedriger ist der U-Wert. Verarbeitung und Installationsstandards können den Wärmedurchgangskoeffizienten stark beeinflussen. Wenn die Dämmung schlecht angebracht ist und Lücken und Kältebrücken aufweist, kann der Wärmedurchgangskoeffizient wesentlich höher als gewünscht sein. Der Wärmedurchgangskoeffizient berücksichtigt Wärmeverluste durch Leitung, Konvektion und Strahlung.

Berechnung des U-Werts

Die grundlegende Berechnung des U-Werts ist relativ einfach. Im Wesentlichen lässt sich der U-Wert berechnen, indem man den Kehrwert der Summe der Wärmewiderstände der einzelnen Materialien, aus denen das betreffende Bauteil besteht, ermittelt. Zu beachten ist, dass neben den Materialwiderständen auch die Innen- und Außenflächen Widerstände aufweisen, die addiert werden müssen. Dies sind feste Werte.

Es gibt eine Reihe von Normen, die Berechnungsmethoden für den Wärmedurchgangskoeffizienten behandeln. Diese sind im Abschnitt „Nützliche Links und Verweise“ am Ende dieses Artikels aufgeführt.

Einfache U-Wert-Berechnungen können auf folgende Weise durchgeführt werden, indem der Aufbau des Bauteils Schicht für Schicht betrachtet wird. Dabei ist jedoch zu beachten, dass Kältebrücken (z.B. durch Maueranker), Luftspalten um die Dämmung oder die unterschiedlichen thermischen Eigenschaften von z.B. Mörtelfugen nicht berücksichtigt werden. In diesem Beispiel wird eine Hohlraumwand betrachtet:

Material	Dicke	Leitfähigkeit (k-Wert)	Widerstand = Dicke ÷ Leitfähigkeit (R-Wert)
Außenfläche	–	–	0.040 K m²/W
Tonziegel	0,100 m	0,77 W/m⋅K	0,130 K m²/W
Glaswolle	0.100 m	0,04 W/m⋅K	2,500 K m²/W
Betonsteine	0.100 m	1,13 W/m⋅K	0,090 K m²/W
Putz	0,013 m	0,50 W/m⋅K	0.026 K m²/W
Innenfläche	–	–	0,130 K m²/W
Gesamt			2.916 K m²/W
U-Wert =		1 ÷ 2,916 =	0,343 W/m²K

Beachten Sie, dass im obigen Beispiel die Leitfähigkeiten (k-Werte) von Baumaterialien online frei verfügbar sind; insbesondere von Herstellern. Die Verwendung von Herstellerdaten verbessert die Genauigkeit, wenn die spezifischen Produkte, die spezifiziert werden, zum Zeitpunkt der Berechnung bekannt sind. Obwohl es möglich ist, Mörtelfugen in der obigen Berechnung zu berücksichtigen, indem man den prozentualen Anteil der Mörtelfläche im Verhältnis zu dem darin gebetteten Mauerwerk bewertet, sollte man bedenken, dass es sich hierbei um eine grobe Technik handelt, verglichen mit der robusteren Methode nach BS EN ISO 6946I.

Messung des U-Werts

Während Konstruktionsberechnungen theoretisch sind, können auch Messungen nach der Fertigstellung durchgeführt werden. Diese haben den Vorteil, dass sie die handwerkliche Ausführung berücksichtigen können. Wärmedurchgangsberechnungen für Dächer oder Wände können mit einem Wärmestrommessgerät durchgeführt werden. Dieser besteht aus einem Thermopile-Sensor, der fest an der Testfläche angebracht wird, um den Wärmestrom von innen nach außen zu überwachen. Der Wärmedurchgangskoeffizient ergibt sich aus der Division des durchschnittlichen Wärmestroms durch die durchschnittliche Temperaturdifferenz (zwischen innen und außen) über einen zusammenhängenden Zeitraum von etwa 2 Wochen (bzw. über ein Jahr im Falle einer Bodenplatte aufgrund der Wärmespeicherung im Erdreich).

Die Genauigkeit der Messungen ist von einer Reihe von Faktoren abhängig:

• Größe der Temperaturdifferenz (größer = genauer)
• Wetterbedingungen (bewölkt ist besser als sonnig)
• Gute Haftung der Thermopfähle auf der Testfläche
• Dauer der Überwachung (längere Dauer ermöglicht einen genaueren Durchschnitt)
• Mehr Testpunkte ermöglichen eine höhere Genauigkeit, um Anomalien zu vermeiden

Zwei komplizierende Faktoren, die die Wärmedurchgangseigenschaften von Materialien beeinflussen können, sind:

• Umgebungstemperatur, u.a. durch latente Wärme
• Auswirkungen von Konvektionsströmen (erhöhte Konvektion trägt zum Wärmestrom bei)

U-Wert-Rechner

Da die Berechnung von U-Werten zeitaufwändig und komplex sein kann (vor allem, wenn z.B. Kältebrücken berücksichtigt werden müssen), wurden zahlreiche Online-U-Wert-Rechner veröffentlicht. Viele von ihnen sind jedoch nur im Abonnement erhältlich, und die kostenlosen sind meist zu einfach gehalten. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine Berechnung z.B. von einem Dämmstoffhersteller anzufordern, dessen Produkt spezifiziert wird.

Die in England und Wales genehmigten Dokumente L1A, L2A, L1B und L2B der Bauvorschriften verweisen alle auf die Veröffentlichung BR 443 Conventions for U-value calculationsII für genehmigte Berechnungsmethoden, während das Begleitdokument U-value conventions in practice. Arbeitsbeispiele unter Verwendung von BR 443III bieten nützliche Anhaltspunkte.

R-Wert oder Wärmedämmung (Kehrwert des U-Werts)

Die Wärmedämmung ist das Gegenteil des Wärmedurchgangs, d.h. die Fähigkeit eines Materials, dem Wärmefluss zu widerstehen. R-Werte werden in bestimmten Teilen der Welt (z. B. in Australien) häufiger verwendet, im Gegensatz zu den im Vereinigten Königreich bevorzugten U-Werten. Die Maßeinheiten für den Wärmedurchgangskoeffizienten sind m²K/W, und auch hier bedeutet ein höherer Wert eine bessere Leistung (im Gegensatz zu dem niedrigeren Wert, der für den U-Wert gewünscht wird).

k-Wert oder Wärmeleitfähigkeit (auch Lambda- oder λ-Wert genannt; Kehrwert des Wärmewiderstands)

Die Wärmeleitfähigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit bedeutet folglich, dass die Wärmeübertragung durch ein Material mit einer höheren Geschwindigkeit erfolgt; dies ist auch temperaturabhängig. Die Einheiten der Wärmeleitfähigkeit sind W/m⋅K. Im Gegensatz zu U- und R-Werten sind k-Werte jedoch nicht von der Dicke des betreffenden Materials abhängig.

Y-Wert, Wärmeleitfähigkeit oder Wärmedurchgangskoeffizient

Die Fähigkeit eines Materials, Wärme aus einem Innenraum aufzunehmen und abzugeben, wenn sich die Temperatur dieses Raums ändert, wird als Wärmeleitfähigkeit (oder Wärmedurchgangskoeffizient) bezeichnet und ist in BS EN ISO 13786:2007 Wärmetechnisches Verhalten von BauteilenIV definiert. Er bildet auch die Grundlage für das ‚imple Dynamic Model‘ im CIBSE Guide A: Environmental designV, das für die Berechnung von Kühllasten und sommerlichen Raumtemperaturen verwendet wird. Je höher der Wärmedurchgangskoeffizient ist, desto höher ist auch die thermische Masse. Der Wärmedurchgangskoeffizient ist dem Wärmedurchgangskoeffizienten ähnlich (und verwendet die gleichen Maßeinheiten). Er misst jedoch die Wärmespeicherkapazität eines Materials, d. h. die Fähigkeit eines Materials, Wärme über einen bestimmten Zeitraum, in der Regel 24 Stunden, zu speichern und abzugeben. Wie beim Wärmedurchgangskoeffizienten sind die Maßeinheiten W/m²K.

Bitte beachten Sie, dass der Y-Wert des Wärmedurchgangskoeffizienten nicht mit dem Y-Wert des Wärmebrückenfaktors verwechselt werden darf, der im Standardbewertungsverfahren (SAP) Anhang K als vom linearen Wärmedurchgangskoeffizienten abgeleitet definiert ist.

Psi (Ψ)-Wert oder linearer Wärmedurchgangskoeffizient

Das Maß für den Wärmeverlust durch eine Wärmebrücke wird als linearer Wärmedurchgangskoeffizient bezeichnet (im Gegensatz zum „flächenbezogenen“ Wärmedurchgangskoeffizienten, der ansonsten als U-Wert bezeichnet wird), wobei die Maßeinheiten wiederum W/m²K sind. Psi-Werte werden zur Erstellung von y-Werten (Wärmebrückenfaktor) in Anhang K des Standardbewertungsverfahrens verwendet.

Wärmewiderstand (Kehrwert der Wärmeleitfähigkeit)

Der Wärmewiderstand ist die Fähigkeit eines Materials, der Wärmeleitung durch das Material zu widerstehen. Wie der k-Wert ist diese Eigenschaft nicht von der Dicke des betreffenden Materials abhängig. Die Maßeinheit für den Wärmewiderstand ist K⋅m/W.

Wärmeleitfähigkeit (Kehrwert des Wärmewiderstands)

Dies bezieht sich auf die Wärmemenge, die in einer Zeiteinheit durch ein Material eines bestimmten Volumens geleitet wird, d. h. die Leitungsgeschwindigkeit. Die Maßeinheit ist W/K.

Wärmewiderstand (Kehrwert der Wärmeleitfähigkeit)

Dies ist ein Maß dafür, wie gut ein Material der Wärmeleitung durch es widerstehen kann, und wird in K/W gemessen. Wie bei der Wärmeleitfähigkeit handelt es sich um ein Maß für die Übertragungsrate für ein bestimmtes Volumen.

Wärmemenge

Die Wärmemenge (im Gegensatz zur Wärmeleitfähigkeit) wird aus der spezifischen Wärmekapazität (der Fähigkeit eines Materials, Wärme im Verhältnis zu seiner Masse zu speichern), der Dichte und der Wärmeleitfähigkeit (wie leicht sich Wärme durch ein Material bewegen kann) abgeleitet und bisher in der britischen Bauindustrie weitgehend ignoriert. Die Wärmeleitfähigkeit wird von SAP 2009 in Form des k“-Wertes (oder kappa“-Wertes) für die Berechnung des thermischen Massenparameters (TMP) verwendet. Der k“-Wert ist die Wärmekapazität pro Flächeneinheit des thermisch aktiven“ Teils des Bauelements (nur die ersten etwa 50 mm der Elementdicke haben einen wirklichen Einfluss auf die thermische Masse, da sie mit zunehmender Tiefe des Elements abnimmt; über 100 mm hinaus ist der Effekt vernachlässigbar). Es ist zu beachten, dass der k“-Wert ein Näherungswert ist, da Annahmen über das Ausmaß des thermisch aktiven Volumens eines Materials getroffen werden; außerdem wird bei der Berechnung der Zeitspanne, in der Wärme vom Material absorbiert und abgegeben wird, der Effekt der Wärmeleitfähigkeit ignoriert. BS EN ISO 13786VI bietet eine effektivere Methode zur Bestimmung der thermischen Masse. Die thermische Masse ist nicht mit der Isolierung zu verwechseln.

Die Bedeutung der thermischen Masse kann nicht hoch genug eingeschätzt werden, wie die folgenden Beispiele zeigen:

Wandaufbau	U-Wert	Wärmedurchlassgrad	Wärmemasse
200mm Ziegel 13mm „nasser“ Putz	2 W/m²K	4.26 W/m²K	169 kJ/m²K
100mm Ziegelstein 150mm mit Mineralwolle gefüllter Hohlraum 100mm Porenbetonblock 13mm Gipskarton Trockenbau auf 10mm Platten	0.19 W/m²K	1,86 W/m²K	9 kJ/m²K

Man beachte, wie gering die thermische Masse der modernen Hohlwand im Vergleich zur Vollziegelwand ist. Durch den Ersatz der Trockenbauwand durch 13 mm „nassen“ Putz kann der Wärmedurchgangskoeffizient jedoch erheblich erhöht werden:

Wandaufbau	U-Wert	Wärmedurchlassgrad	Wärmemasse
100mm Ziegel 150mm Mineralwolle-gefüllter Hohlraum 100mm Porenbetonblock 13mm „nasser“ Putz	0.19 W/m²K	2,74 W/m²K	60 kJ/m²K

Die Entkopplung der Gipskartonplatten auf diese Weise führt also dazu, dass die effektive thermische Masse in einem nach modernen Standards und Techniken gebauten Haus fast vollständig entfernt wird.

Die Verwendung thermischer Masse zur Bekämpfung sommerlicher Überhitzung wird in der Artikelserie Anpassung an den Klimawandel in Gebäuden ausführlicher behandelt: Überhitzung, Teil 1VII und 2VIII.

Durchlässigkeit

Beschreibt die Art und Weise, in der die Dichte, Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit eines Materials den Durchgang von Wärme von einer Seite zur anderen verlangsamen und auch die Wärmegewinne beim Durchgang durch das Material verringern kann. Dies hat daher einen Einfluss auf die Wärmeleistung eines Gebäudes in wärmeren Perioden. Diese werden als Dekrementverzögerung bzw. Dekrementfaktor bezeichnet.

Chemische Phase

Wenn ein Material seinen Zustand von fest zu flüssig oder von flüssig zu gasförmig ändert, kann sich die Wärmeleitfähigkeit dieses Materials ändern. Dies ist auf die Aufnahme und Abgabe latenter Wärme zurückzuführen und kann auch in kleinerem Maßstab auftreten, was im Bauwesen von Vorteil sein kann.

Materialien, die eine hohe thermische Masse aus kleinen Volumina bereitstellen können, sind immer leichter verfügbar. Bei diesen sogenannten Phasenwechselmaterialien (PCM) handelt es sich um Stoffe, die beim Schmelzen bzw. Erstarren in einem engen Temperaturbereich latente Wärme speichern und abgeben können. Diese Materialien können in bestimmten Baumaterialien wie Gips oder Ton mikroverkapselt werden, um Wandverkleidungsplatten oder Deckenplatten zu bilden. Sie können auch makroverkapselt werden, z. B. in Wärmetauscherplatten zur Verwendung in Kühl- und Lüftungsanlagen, und es wird untersucht, ob sie in PU-Schaumplatten für Anwendungen wie metallbeschichtete Verbundverkleidungen eingebaut werden können. Der Vorteil von PCMs besteht darin, dass sie erhebliche Mengen an thermischer Masse liefern können, während sie selbst sehr dünn sind; d.h. die thermische Masse erscheint im Vergleich zur physischen Dicke des Materials unverhältnismäßig groß.

PCMs könnten eine praktische Lösung für die Wiedereinführung von thermischer Masse in Leichtbaugebäuden bieten, um einer Überhitzung entgegenzuwirken, und werden in der Artikelserie Anpassung an den Klimawandel in Gebäuden ausführlicher behandelt: Überhitzung (Teil zwei)IX.

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