Friedrich Idam:

Der Bauphysiker und Materialforscher Günther Kain beschäftigt sich nicht nur mit dem baupysikalischen Verhalten verschiedener Werkstoffe, sondern auch mit größeren Zusammenhängen, wie etwa, wenn diese Bau- und Werkstoffe in ein Gebäude eingebaut sind, wie die dann zusammen funktionieren. Und ein Thema, das in diesem Bereich fällt und das ich heute gerne mit Günther Kain durchdiskutieren möchte, ist die Idee der Nachtlüftung. Das wären eben die Temperaturunterschiede, welche im Sommer zwischen Tag und Nacht herrschen, dazu nutzt, um ein Gebäude mit möglichst geringem Energieaufwand zu kühlen. Günther, welche Möglichkeiten siehst du mit sehr, sehr wenig Aufwand diese Effekte oder Potenziale der Nachtkühlung zu nutzen?

Günther Kain:

Ja, gleich vorweg. Es wird vielfach unterschätzt, dass die Außenluft relativ häufig kühler ist als die Raumluft. Das bewegt sich selbst im Sommer zum Teil in Größenordnungen, wo nur 20 Prozent der Zeit die Außenluft wirklich wärmer ist als die Innenluft. Kurzum, immer dann, wenn sie kühler ist, bringt es grundsätzlich etwas, diese Außenluft ins Innere zu holen und sie dort zum Auskühlen der Substanz zu verwenden.

Friedrich Idam:

Also es könnte durchaus sein, dass im Sommer um 10 Uhr vormittags die Außenluft noch kühler ist als die Raumluft innen?

Günther Kain:

Genau, das hängt natürlich auch von der Sonnenexposition ab. Aber vor allem in den Morgen- und Vormittagsstunden ist es häufig so, dass die Luft kühler ist. Die Frage galt allerdings der Nachtlüftung und da ist es im Prinzip fast durchweg so, dass die Außenluft kühler ist als die Innenluft. Und wenn man nun diese kühle Luft durch das Gebäude strömen lässt, im Idealfall so, dass diese große Oberflächen des Innenraums berührt, diese streift, und dort dann Wärmeenergie fortträgt und somit die Substanz an sich auskühlt.

Friedrich Idam:

Es gibt ja da natürlich mechanische Anlagen, Lüftungsanlagen, die mit Sensoren ausgestattet sind, aber natürlich auch wieder mit elektrisch betriebenen Ventilatoren. Hast du jetzt in deiner beruflichen Erfahrung auch einfachere Möglichkeiten kennengelernt, wo man jetzt ohne diese komplizierte Steuerungs- oder Belüftungstechnik hier diese Effekte einfacher nutzen kann?

Günther Kain:

Ja, diese gibt es durchaus. Das ist einmal ganz einfach eine Querlüftung. Das heißt, dass an überliegenden Außenwänden Öffnungen, vorwiegend Fenster, geöffnet werden und sozusagen ein Luftstrom quer durch das Gebäude, quer durch die Wohnung ermöglicht wird. Das geht aber auch dahin, dass man zum Beispiel bestehende Lüfter, ich denke an die Ablufteinrichtung einer Küche, nutzt, um den Luftstrom zu erhöhen. Und ganz spannend, was wir im letzten Sommer gemeinsam, Fritz Idam und ich und unser Kollege Alfons Huber, evaluiert haben, dass man auch bestehende Kamine nutzt, um einen Luftstrom durch die Wohnung zu erzeugen.

Friedrich Idam:

Hast du noch im Kopf ungefähre Zahlenwerte von der Wirksamkeit? Weil dieses eine Beispiel, das du genannt hast, der Nutzung einer Küchenabluftanlage, also einen Ablüfter über den Küchenherd, da kostet natürlich die Installation nichts, weil ja dieses Gerät vorhanden ist. Allerdings fallen natürlich Energiekosten oder Energieverbrauch durch den elektrischen Betrieb an. Wie ist das bei einem bestehenden Kamin, bei einem Rauchfang? Der funktioniert ja durch Schwerkraft.

Günther Kain:

Genau, das heißt, dieser nutzt im Wesentlichen die natürliche Thermik. Das heißt, dass die warme Luft aufgrund der geringeren Dichte aufsteigt und sich diese Wirkung im Schach des Kamins noch verstärkt. Und was da vor allem auch interessant ist, dass die Kamine von der Substanz her, gemauerte Systeme sind und diese somit relativ hohe Massen im Gebäude aufweisen und noch zusätzlich im Regelfall im Kern eines Gebäudes sitzen. Und somit ist es natürlich besonders interessant, die Temperatur dieses massiven Kerns, im Zentrum des Gebäudes zu kühlen, die Durchschnittstemperatur zu senken, weil dann diese Masse, diese thermische Masse hilft, während des Tages, wenn die Temperaturen im Wohnraum steigen, diese Wärmeenergie wegzupuffern. Das heißt, im Grunde ist dann dieser Kamin ein thermischer Verzögerer für die Innenluft.

Friedrich Idam:

Das gilt aber natürlich in erster Linie für Gebäude, die in klassischer Massivbauweise wie etwa Ziegelbauweise, es würde auch Stahlbeton eingeschränkt, aber in erster Linie für Ziegelgebäude würde dieser Effekt gelten. Aber ich möchte noch einmal auf die vorige Frage zurückkommen. Kannst du diese Effekte quantifizieren? Gibt es da von dieser Messkampagne, die im Sommer 2020 durchgeführt wird? Und wenn ich mich richtig erinnere, wurde das in Wien durchgeführt.

Günther Kain:

Die Messung.

Friedrich Idam:

Und das Gebäude war ein Gebäude, das so um 1900 errichtet wurde.

Günther Kain:

Das ist genau ein klassisches Wiener Zinshaus. Ja, der Effekt, jetzt im Vergleich Kaminlüftung in Betrieb, beziehungsweise diese nicht in Betrieb zu nehmen, konnte im Durchschnitt die Raumluft um ca. 2 Grad Celsius dann senken. Wir sind gerade noch dabei, die Daten fein auszuwerten, aber der Effekt ist signifikant.

Friedrich Idam:

Also das sind zwei Grad Abkühlung, die definitiv nichts kosten. Und kann man sich das so simpel vorstellen, wenn man jetzt in der Wohnung zum Beispiel einen Ofen stehen hat, dass man bei diesem Ofen im Sommer einfach das Kamintürchen oder die Ofentüre einfach offen stehen lässt und das war es dann. Oder sind da noch weitere praktische Schritte erforderlich?

Günther Kain:

Ja, zusätzlich ist es natürlich erforderlich, eine Zuluftöffnung zu haben. Das kann ein Fenster sein, ein Oberlicht, was auch immer. Was natürlich auch empfehlenswert ist, dass man nach der Heizperiode und vor Start dieser Kaminlüftungsaktion den Kamin und die Öfen entsprechend reinigt. Das heißt Aschereste, Ruß entfernt, um nicht bei plötzlichen Windstößen sozusagen diesen Schmutz ins Raum hinein zu bekommen.

Friedrich Idam:

Aber bei der Zuluft, also bei der Luft, die quasi von außen in den Raum einströmt, die kühlere Luft, da reicht zum Beispiel eine gekippte Oberlicht, da reicht ein gekipptes Fenster oder da reicht ein Fensterflügel, der nicht ganz geschlossen ist, aber sicherheitshalber fixiert ist, wenn eben ein Windstoß käme, dass er nicht aufgeschlagen ist. Oder sollte da das Fenster ganz offen stehen?

Günther Kain:

Die Druckunterschiede, die entstehen, die sozusagen diesen Lüftungseffekt bewirken, hängen natürlich von einigen Faktoren ab. Zum Beispiel vom Luftdruck der Umgebung, sozusagen auch von den Witterungsbedingungen. Aber grundsätzlich mal genügt eine weniger dichte Gebäudehülle. Das kann jetzt sein, wie du sagtest, ein gekipptes Fenster, ein wenig abgedichtetes Fenster, gereicht, um einen Lüftungseffekt zu bewerkstelligen. Der ist natürlich höher, wenn die Zuluft einen geringen Widerstand zu überwinden hat.

Friedrich Idam:

Jetzt hast du für mich eigentlich sehr gut verständlich dieses Prinzip der Kernlüftung beschrieben, dass eben mit dem Kamin oder der ja mehr oder weniger ein Schacht im Kern des Gebäudes ist, der Kern des Gebäudes mit dieser Nachtluft gekühlt wird. Aber es gibt ja auch darüber hinaus noch den Effekt, wenn jetzt das Gebäude, eine massive Gebäudehülle etwa aus Ziegeln besteht, dass ja überhaupt diese Masse des Bauteils auch eine Temperaturverzögerung ausmacht. Also mir geht es jetzt um diesen Gedanken der Wärmediffusivität in der Zeit, wie lange es dauert, bis ein Temperaturzustand der Außenseite innen ankommt. Und da kann ich mich an ein gemeinsames Projekt von uns beiden erinnern, wo wir einen Dachbodenausbau konzipiert haben, wo die Wärmedämmung aus Massivholz bestand. Und wo es mehr oder weniger gelungen ist, die Tagesspitze, die Amplitude etwa um zwölf Stunden zu verzögern. Wie funktioniert das jetzt baupysikalisch, wenn sich die Zustände innen und außen ändern, dass dann eben der Temperaturstrom umgekehrt wird?

Günther Kain:

Der Effekt, den du ansprichst, ist der der Wärmespeicherung in einem Bausystem, einem Bauteil. Wie viel Wärme gespeichert werden kann, hängt von der Speicherkapazität des Materials ab und von der Masse desselben. Das heißt, das ist dann das Potenzial, welches eine gewisse Wärmemenge speichern kann. Und wenn man jetzt bedenkt, dass diese Vorgänge zeitlich verzögert auftreten, so habe ich, wenn nun zum Beispiel das Temperaturmaximum des Tages erst in den kühlen Nachtstunden das Innere trifft, die Möglichkeit durch die zuvor angesprochene kühle Luft, die vorbeiströmt, genau diesen Peak innen schon wieder abzukühlen, ihn sozusagen hinwegzutragen, gleichzeitig diese thermische Masse des Bauteils dabei zu kühlen, wo dann die nächste Spitze des Temperaturmaximums bereits wieder den gekühlten Bauteil aufwärmen muss. Und in diesem Modell sozusagen die Spitzen zu ungünstigen Zeitpunkten, zum Beispiel mittags und nachmittags, wo es oftmals zu heiß wird, nicht sich treffen. Das heißt, oder simpel gesagt, zu einem Zeitpunkt, wo an der Innenoberfläche eine hohe Temperatur ankommt im Gebäude, habe ich kühle Nachtluft, diese hinweg zu kühlen bzw. Zu puffern und zu Zeitpunkten, wo ich warme Außenluft oder heiße Außenluft habe, Das heißt, wo ich mich innen eigentlich schützen will, ist wohl das Lüftungssystem geschlossen und der thermisch träge Bauteil verhindert, dass diese große Wärmemenge im Inneren ankommt.

Friedrich Idam:

Das heißt, einerseits besteht hier die bauphysikalische Kunst darin, den Bauteil von der Materialwahl und von seiner Masse so zu konzipieren, dass er genau diesen etwa zwölf Stunden Zeitverzögerungseffekt bei der Wärmediffusivität erreicht. Bei welchen Materialstärken bei Massivholz sind wir da etwa?

Günther Kain:

Bei Massivholz ist dieser Verzögerungseffekt relativ groß, weil kurz gesagt die Wärmediffusivität, die angesprochen wurde, sehr gering ist. Und da ist man in einem Bereich von circa 10 cm Massivholz, wo man auf eine Verzögerung, das hängt natürlich dann ein bisschen von der Dichte ab, aber zwischen 9 und 13 Stunden kommt. Und das ist interessanterweise auch die Dicke, die ein massiver Blockbau zum Beispiel im Salzkammergut ursprünglich hatte.

Friedrich Idam:

Wenn man jetzt auf moderne Technologien denkt, eben Kreuzlagenholz oder Crosslayer Timber, sind das ja auch gängige Materialstärken, wo dann ja auch die Statik eigentlich sehr gut bei gängigen Bauwerksgrößen abgedeckt wird.

Günther Kain:

Es gibt da natürlich auch die Überlegungen im modernen Bauen mit Kreuzlagenholz, noch dickere Wandsysteme aus Holz auszubilden, wo die thermische Trägheit dann Phänomene über Tage, eventuell auch Wochen abbildet, wo man den Effekt sozusagen noch länger streckt, was den Vorteil hat, dass ein noch konstanteres Klima im Gebäudeinneren auftritt.

Friedrich Idam:

Zum Effekt, den du jetzt beschrieben hast, gehört natürlich auch immer die Luftführung. Wir haben ja bei den Gebäuden darüber gesprochen, der Kamin, dass hier eine Kernkühlung stattfindet. Wenn wir eben das auf das jetzt diskutierte Dachsystem übertragen, dann spielt ja die Hinterlüftungsebene des Dachs diese Rolle. Wenn eben in der Nachtsituation bei dieser Hinterlüftungsebene die Luft zirkuliert, Und die müsste ja eigentlich, wenn ich es recht überlege, gut zirkulieren, weil ja der massive Holzbauteil noch warm ist und es müsste eigentlich eine gute, schnelle Zirkulation erfolgen. Sehe ich das richtig? Und umgekehrt am Tage, wenn die Konstruktion noch die Nachtkühle gespeichert hat, müsste eigentlich die Zirkulation träger erfolgen. Wir hätten im Idealfall ein selbstregulierendes System oder sehe ich das zu idealistisch und zu optimistisch?

Günther Kain:

Ja, also in Ansätzen ist das definitiv so. Ich habe das kürzlich nicht in einem Dach, aber an einer hinterlüfteten Fassade gemessen. Und da war ganz klar der Zusammenhang, immer wenn die Außentemperatur sozusagen steigt, steigen dann ein bisschen zeitverzögert die Luftgeschwindigkeiten in der Hinterlüftungsebene aufgrund der von dir skizzierten Zusammenhänge. Und somit ließe sich dieses System selbst steuernd nutzen, Es ist natürlich nicht ganz hundertprozentig, dass man damit immer den idealen Luftstrom erzeugt. Das heißt, es gibt damit auch noch die Überlegung, dass man die Zuluftöffnungen, gerade bei einem Dach wäre das relativ einfach möglich, zu Zeitpunkten, wo man die Zirkulationsgeschwindigkeit reduzieren will, dass man da die Öffnungen schließt. Mit Biosensoren und Bioaktoren ist hier die Überlegung und sie nur zu Zeitpunkten, wo man eben wirklich Luftstrom haben möchte, diese Öffnungen aufmacht. Es sei hier nur der Verweis auch darauf gegeben, dass es nicht nur die Temperatur ist, es gibt dann auch Zusammenhänge mit der Luftfeuchtigkeit, wo es zum Beispiel Wetterbedingungen gibt, wo die Luft sehr feucht wäre, die man dann nicht unbedingt in Hinterlüftungsebenen einbringen möchte.

Friedrich Idam:

Wenn du jetzt dieses Feuchtigkeitsthema ansprichst, könnte es natürlich gut sein, um diese Hinterlüftungsebene wirklich gut auszutrocknen, dass man sich dann den Luxus leistet, mehr oder weniger doch heiße und damit natürlich Luft, die relativ trocken ist, im Regelfall durchgehen zu lassen, um zusätzliche Abtrocknungseffekte. Summa summarum, global betrachtet würde das auch dafür sprechen, die Speichermasse zu erhöhen, dass man also generell schon die Aussage treffen kann, wenn man hier in größere Speicherdimensionen geht, mit größeren Verzögerungsfaktoren, ist man da auf der sicheren Seite. Gibt es da ein Optimum oder kann man das letztlich auch übertreiben?

Günther Kain:

Naja, hier zeigen die Messungen, dass sich, Temperaturschwankungen nur bis zu einer gewissen Tiefe im Bauteil abbilden. Das hängt dann vom Material und der Masse ab, das haben wir schon diskutiert. Und jetzt ist es natürlich interessant, auf welche Perioden der Temperaturveränderung fokussiere ich. Wenn wir die täglichen Temperaturschwankungen betrachten, kann man die Dicke des Materials definitiv übertreiben. Also da ist es zum Beispiel jetzt fürs Holz gesprochen, sind es ungefähr diese 10 cm Dicke, welche ich ausnutzen kann, um die täglichen Schwankungen zu puffern. Wenn ich dicker gehe, dann fokussiere ich plötzlich auf Wochen- und Monatsschwankungen und diese sind natürlich jetzt fürs Wohnen weniger relevant.

Friedrich Idam:

Also da ist einfach auch der Aufwand des Materialeinsatzes, Wenn man jetzt den Energieverbrauch optimieren möchte und um das geht es jetzt in erster Linie und natürlich auch die damit verbundenen Kosten, dann ist es vermutlich am sinnvollsten, auf diese Tagesverzögerung, also auf diese etwa zwölf Stunden Verzögerung zu setzen, was ja letztlich unser Thema Nachtkühlung abrundet. Also ich denke, das, was wir heute besprochen haben, wie man eigentlich mit sehr geringem Energieeinsatz, aber mit klugen Konzepten oder mit überlegter Bauphysik eigentlich natürliche Kühleffekte erzielen kann, die spürbar sind, aber kein Geld kosten. Und ich würde mich freuen, wenn wir zu diesem Themenbereich noch einige Gespräche führen könnten, denn ich glaube, hier steckt sehr viel Potenzial drinnen.

Günther Kain:

Sehr gerne.