Friedrich Idam: In einigen der letzten Episoden ist der Begriff der Wärmediffusivität gefallen. Heute wieder bei mir als Gesprächspartner der Bauphysiker und Materialforscher Günther Kain, und ich möchte heute diesen Begriff der Wärmediffusivität vertiefen und möglichst gut verständlich darstellen, Wärmediffusivität ist ja mehr als Wärmeleitung. Vielleicht, wenn du jetzt einmal den Begriff so erklären könntest, wie würdest du dich diesem Thema der Diffusivität nähern?

Günther Kain: Ja, von der Vorstellung reden wir von einer Materialeigenschaft, die beschreibt, wie lange es dauert, bis man eine Temperaturveränderung auf der einen Seite eines Bauteils, auf der anderen Seite spürt, sozusagen wie lange es dauert, bis diese Wärmeenergiewelle auf der anderen Seite ankommt.

Friedrich Idam: Also jetzt in einem einfachen Bild, ich denke jetzt an einen heißen Sommertag, draußen ist, es 14 Uhr, es ist draußen glühend heiß und mit der Wärmediffusivität kann man dann beschreiben, wann diese Wärmewelle letztlich an der Innenseite ankommt, also wie lange der Bauteil kühlt.

Günther Kain: Genau, das ist auch teilweise mit der Phasenverschiebung, die man vielleicht kennt, erklärt bzw. hat damit zu tun. Und interessant ist diese Eigenschaft der Wärmediffusivität insbesondere deswegen, weil landläufig wird immer vom U-Wert gesprochen, wenn wir Bauteile und deren thermische Eigenschaften beschreiben wollen. Nur der U-Wert vermag genau über dieses Verhalten, dieses instationäre Verhalten, gar nichts auszusagen.

Friedrich Idam: Jetzt vielleicht dieser Begriff stationär und instationär. Instationär bedeutet, dass wir ja, und das ist ja in der Realität so, im Äußeren durch das Klima über das Jahr, aber auch über den Tag unterschiedliche Wärmezustände haben. Es ist am Morgen, ist es kühler, dann wird es im Lauf des Tages wärmer, kühlt dann wieder gegen Abend und in der Nacht ab. Das ist instationär. Stationär wäre, wenn immer ein konstantes Außenklima herrschen würde.

Günther Kain: Exakt. Und das führt jetzt im Inneren eines Bauteils zu interessanten Vorgängen, weil wie du vorher beschrieben hast, beginnt sich vielleicht ab Vormittag die Wand von außen infolge von Sonneneinstrahlung aufzuwärmen, allerdings speichert dann die Wand vorerst diese Wärmeenergie ein, ohne dass man das im Inneren merkt. Während dann vielleicht zu späterer Tageszeit und in die Nacht hinein außen der Bauteil schon wieder Wärmeenergie verliert, die Energie vom Tag aber vielleicht dann innen erst ankommt. Und diese zeitlich veränderlichen Größen kann man mit einer Fourier-Gleichung, deren Materialkonstante dann die besagte Wärmediffusivität ist, beschreiben.

Friedrich Idam: Da denke ich, gilt es noch ein paar Begriffe noch zu vertiefen. Es ist einerseits der von dir erwähnte U-Wert, dessen Hauptmerkmal ja der Begriff der Wärmeleitfähigkeit ist. Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt, wie gut oder schlecht ein Material geeignet ist, die Wärme zu leiten. Das ist ja auch schon etwas, was in diese Richtung geht, um die Wärmediffusivität zu beschreiben. Aber du hast ja vorher auch davon gesprochen, dass die Wand die Wärme einspeichert. Und ist das beim U-Wert nicht dabei oder nicht mit eingerechnet?

Günther Kain: Genau, also in der U-Wert-Betrachtung wird Speichervermögen gar nicht betrachtet. Das wird ausgeklammert, weil ja, wenn die Temperaturbedingungen konstant stationär sind, das Speichern keine relevante Größe ist.

Friedrich Idam: Das bedeutet, der U-Wert ist gut geeignet, wenn man ein Material unter Laborbedingungen prüft, wo eben eine konstante Außentemperatur simuliert wird und eine konstante Innentemperatur simuliert wird, dann kann man mit diesem U-Wert den Wärmestrom durch diese Konstruktion relativ genau beschreiben.

Günther Kain: Genau, denn dieser hängt dann linear vom Temperaturgefälle, dem Unterschied innen-außen und eben von der genannten Wärmeleitfähigkeit ab.

Friedrich Idam: Aber wenn wir eben jetzt von Baukonstruktionen unter realen Bedingungen sprechen, also so wie in der Wirklichkeit eben diese vorgenannten instationären Bedingungen, wenn eben sich außen die Temperatur ständig ändert, Bedeutet das dann im Umkehrschluss, dass dann der U-Wert eigentlich nicht mehr gut dazu geeignet ist, das Wärmeleitverhalten zu beschreiben?

Günther Kain: Das stimmt, weil ja dann der Wärmestrom auch von der Energie im Inneren des Bauteils abhängt. Angenommen, Beispiel, es ist untertags warm, es wird Energie eingespeichert und plötzlich kühlt es schlagartig ab im Äußeren. Dann kommt es trotzdem im Moment zu keinem Abfluss von Wärme aus dem Innenraum, weil sich ja das Temperaturgefälle nach außen hin erst nach jener Zeit voll ausbildet, wo die eingespeicherte Energie verloren gegangen ist. Und das ist je nach Wandbildner sehr, sehr lange.

Friedrich Idam: Also das bedeutet aber, wenn außen eben eine schlagartige Abkühlung, zum Beispiel nach einem Gewitter oder nach einem Unwetter stattfindet, Und wandert dann der Wärmestrom im Bauteil noch weiter nach innen oder wandert der dann, wenn es draußen kühler ist als innen, wandert der dann, kehrt sich da der Wärmestrom um?

Günther Kain: Also vorerst wird in der geschilderten Variante ein Wärmestrom aus dem Kern des Bauteils in beide Seiten fließen. Das heißt, es ist im Prinzip dann eine parabelförmige Anordnung. Und erst nach längerer Zeit kommt es dann zur Ausprägung in die eine oder andere Richtung, je nachdem, welcher Energiefluss dominiert.

Friedrich Idam: Also das heißt, wo es kühler ist. Wenn jetzt der Innenraum kühler ist, wird es weiter Richtung Innenraum strömen. Wenn es im Außenbereich signifikant kalt ist oder signifikant kälter ist, wird es nach außen fließen.

Günther Kain: Genau. Und es kommt natürlich jetzt im Tagesablauf und auch über längere Zeiträume hinweg zur ständigen Überlagerung dieser Zustände. Das heißt, in Wirklichkeit schwingt der Temperatur- oder eigentlich Wärmeenergiefluss in der Wand von der einen in die andere Richtung, dreht sich manchmal um. Und da kommt es jetzt eben darauf an, je größer jetzt die Wärmespeicherkapazität der Wand selber ist, desto träger wird das System in Hinblick auf die Veränderung dieser Wärmeströme sein. Und da stellt sich jetzt wieder die Frage, was heißt das für den Nutzer oder die Nutzerin? Das heißt, Wandsysteme, deren Speichermasse groß ist, werden zu einem sehr trägen Klima im Raum beitragen.

Friedrich Idam: Also eigentlich einem sehr gleichmäßigen, wo man wenig Schwankungen im Klima erlebt, was aber natürlich auch immer wieder, was ja meiner Meinung nach immer wichtiger wird, wo es um die Kühleffekte im Sommer geht, da werden dann solche Wandkonstruktionen den Innenraum deutlich länger kühl halten.

Günther Kain: Ja, natürlich, bei entsprechender Kapazität. Nur um jetzt auch die Wärmediffusivität wieder anzusprechen, diese ist auch nicht gleichzusetzen mit Wärmespeicherkapazität. Also per Definition ist diese Wärmediffusivität, man kann sie auch Temperaturleitfähigkeit nennen, definiert, indem man die Wärmeleitfähigkeit eines Materials durch das Produkt aus Dichte und Wärmespeicherkapazität dividiert. Das heißt, je nachdem welches Verhalten man optimieren will, kann man nun an drei Stellschrauben drehen. Und es gibt dann für jede Anforderung eben eine passende Wärmediffusivität, die ich entweder durch niedrige Wärmeleitfähigkeit, durch hohe Wärmespeichermasse oder hohe Wärmespeicherkapazität entsprechend einstellen kann.

Friedrich Idam: Also das wäre letztlich einerseits Baustoffwahl, dass man sich Baumaterialien ansieht, die bereits eine hohe spezifische Speicherfähigkeit besitzen. Und da denke ich, mir gilt es darauf hinzuweisen, dass Holz, und das ist ja weitgehend unbekannt, meines Wissens nach etwa die dreifache Wärmespeicherkapazität als Ziegel oder Stein besitzt. Liege ich da falsch?

Günther Kain: Ja, aufgrund des relativ hohen Wasseranteils, weil ja Wasser bekanntlich eine sehr hohe Speicherkapazität besitzt, und der Wasseranteil im Holz ist einfach unter atmosphärischen Bedingungen relativ hoch. Und Holz hat noch eine zweite interessante Eigenschaft, dass eben genau diese Wärmediffusivität, sprich der angesprochene Quotient, deutlich geringer ausfällt als bei den anderen Standardbaustoffen.

Friedrich Idam: Weil ja Holz jetzt im Vergleich zu Beton oder Ziegel ja auch eine günstigere Wärmeleitfähigkeit, also eine schlechtere, das heißt Holz leitet ja die Wärme deutlich schlechter oder vielleicht wäre langsamer der bessere Begriff.

Günther Kain: Ja, kann man so sagen. Also es wird bei gleicher Wanddicke im Holzbau, ich spreche jetzt natürlich vom massiven Holzbau, eine Temperaturveränderung, später bemerkbar sein als mit anderen Baustoffen.

Friedrich Idam: Weil eben bei Holz die beiden Stellschrauben, sowohl die Leitfähigkeit als auch die Speicherfähigkeit, bereits günstig stehen. Und wenn man jetzt die dritte Schraube noch die Masse durch eine entsprechende Bauteildicke, noch hochschraubt, dann kommt man mit einer massiven Holzkonstruktion eigentlich auf eine sehr, sehr günstige Wärmediffusivität.

Günther Kain: Oder auch anders betrachtet, wenn man jetzt doch auch den U-Wert entsprechend gering wählen will, bei gleichzeitiger Optimierung dieser beschriebenen Speicherüberlegungen erhalte ich mit Holz bei gegebener Bauteildicke die beste Performance.

Friedrich Idam: Und jetzt ist natürlich, wir haben in einer der letzten Episoden über Torfmoos darüber gesprochen, dass es ideale Dichten gibt. Also das heißt, es gibt bei der Wärmeleitfähigkeit offenkundig eine Untergrenze. Also ich kann… Irgendwo durch geringere Packungsdichten eigentlich die Wärmeleitfähigkeit nicht weiter verlangsamen?

Günther Kain: Ja, zumindest unter atmosphärischen Bedingungen. Also in der High-End-Dämmstoffentwicklung versucht man im Moment gerade im evakuierten Raum zu arbeiten. Dort lassen sich dann die Wärmeleitfähigkeiten wieder verringern. Es sei natürlich grundsätzlich mal in den Raum gestellt, wie gut sich ein evakuierter Baustoff dann unter Praxisbedingungen einsetzen lässt. Denn der vielzitierte Nagel, den man vielleicht in die Wand einschlägt, um den Hut aufzuhängen, der wird dann ein Problem.

Friedrich Idam: Und natürlich hat das, der Evakuierte, dieser wie du ihn nennst, High-End-Baustoff natürlich relativ schlecht in das Bild, das simple smart building. Aber ich glaube gerade, es ist auch wichtig, solche Baustoffe zu diskutieren und zu sagen, ja, rein physikalisch betrachtet können sie das, aber natürlich rein, in der praktischen Anwendung und vor allen Dingen in der langen Lebensdauer werden vermutlich diese High-End-Eigenschaften nur über eine kurze Zeit bestehen.

Günther Kain: Genau und gerade wo wir jetzt diskutiert haben, dass ja das Wärmespeichervermögen auch eine interessante Größe für das Nutzungsverhalten in einem Gebäude ist, Da werden wir mit diesen superleicht Dämmstoffen ohnehin nicht weiterkommen. Denn wie sie dann auch alle heißen, diese Aerogele oder eben Vakuum-Matten besitzen ja dann de facto ganz geringe Masse und in weiterer Folge kaum Speichermasse.

Friedrich Idam: Und natürlich eine relativ ungünstige Diffusivität.

Günther Kain: Ja, zusätzlich zu einer fraglichen Nutzungszeit und Lebensdauer.

Friedrich Idam: Wir haben jetzt natürlich immer von mehr oder weniger monolithischen oder monoxylen Konstruktionen gesprochen, die homogen sind, also mehr oder weniger werkstoffhomogene Wandaufbauten. Wie sieht es da aus, wenn man jetzt sagt, ich will kombinieren, ich wähle einerseits einen Baustoff, der zwar gut speichert, aber sehr schnell leitet, also auch wieder eine ungünstige Diffusivität besitzt wie etwa Beton und kombiniere dann diesen Werkstoff mit einer, Dämmung, Also zum Beispiel jetzt der Klassiker mit einer Außendämmung aus Polystyrol, die eine sehr langsame Leitfähigkeit, aber natürlich eine schlechte Speicherfähigkeit besitzt. Also ich kombiniere eigentlich zwei Werkstoffe mit sehr unterschiedlicher Performance. Ist es dann möglich, durch diese, Kombination in Summe wieder eine günstige Wärmediffusivität zu bekommen? Ist das jetzt ein Fehler in meinen Gedanken?

Günther Kain: Man kann natürlich dann die Wärmediffusivität näherungsweise einfach mit Durchschnittsbildung auf den gesamten Bauteil abbilden. Im Detail ist das natürlich falsch, weil es ja dann im Bauteil zu starken, Temperaturgradientenunterschieden kommt, was letztlich dann für diese Wärmeströme ja wieder große Bedeutung hat. Und das wird dann ein komplexes Problem, also das lässt sich dann auch nur mehr mit Simulationen lösen. Um deine Frage jetzt zu beantworten, es ist natürlich möglich, allerdings verliert man damit dann zum Beispiel auch, Also Wärmefluss von außen nach innen, wenn ich zum Beispiel jetzt auf die Betonschale Wärmedämmung aufbringe. Also diese eleganten Ausgleichbewegungen sind dann nicht mehr in diesem Ausmaß gegeben. Und was ich auch zu bedenken gebe, Materialverbünde sind tendenziell am Ende des Lebenszykluses ein Problem. Das heißt, es zeichnet sich ab, dass man im nachhaltigen Bauen eben genau die angesprochenen monolithischen Systeme mit größerem Nutzen verwenden wird können.

Friedrich Idam: Weil sie eben leichter im Sinne eines Urban Mining wieder zu verwenden sind und einfach mehrmals einsetzbar sind und diese Trennung, dieser komplexen mehrfachen Strukturen und der notwendigen Verbindungen der Verklebungen einfach wegfällt. Also vielleicht noch einmal zusammenfassend, Wärmediffusivität ist mehr oder beschreibt eigentlich exakter Vorgänge in der realen Umwelt. Es geht darum, wie kann ich instationäre Zustände, also ein wechselndes Klima in einem Rechenmodell abbilden Und dazu verwende ich zwei wesentliche Kenngrößen, einerseits das Wärmeleitverhalten und andererseits das, Wärmespeicherverhalten und setze das in einer Relation zueinander.

Günther Kain: Und vielleicht ergänzend, bei, sage ich mal, gewöhnlich dicken Aufbauten ist in der Langzeitbetrachtung die U-Wertberechnung so mehr oder weniger in Ordnung. Die kurzzeitigen, und damit rede ich jetzt Wechselklimata während eines Tages, sind damit schlecht beschreibbar.

Friedrich Idam: Wäre es möglich mit einer Konstruktion, die natürlich dann entsprechend berechnet ist, Eine Amplitudenverschiebung, ich rede jetzt wieder von der Kühlung, weil natürlich die Amplitudenverschiebung über ein Jahr, es gibt so Konstruktionen, es gibt in Linz Befestigungsbauten aus dem 19. Jahrhundert, also diese sogenannten maximilianischen Befestigungen. Das sind Ziegelbauten mit mehreren Metern Wanddicke, wo es dann eine mehrmonatige Amplitudenverschiebung ist. Aber ich spreche jetzt hier von Amplitudenverschiebungen während eines Tages, also letztlich zwölf Stunden, dass man die Tagesspitzen, die heißen Tagesspitzen in die Nacht verschiebt. Wie siehst du da die Chancen mit einer ganz gezielt geplanten Konstruktion und mit einem ganz gezielten Einsatz des Wissens über die Wärmediffusivität hier eigentlich, ohne zusätzlichen Fremdenergieeinsatz, nur durch das, was das Material kann, die Tagesspitze in die Kühlnachtstunden zu verschieben?

Günther Kain: Das ist natürlich möglich. Das heißt, man kann das Bauteil so bemessen, dass man zur gewünschten, vermutlich sind es Abendstunden, dann die Wärmeenergie des Tages innen sozusagen spürt, dort, wenn man sich an die Wand lehnt, von dieser Sonnenenergie profitiert. Das Einzige, man wird einen Kompromiss machen müssen, weil ja die eingestrahlte Wärmeenergie im Jahresverlauf unterschiedlich ist. Das heißt, dass man zum Beispiel sagt, für diesen Durchschnitt möchte ich angenommen ab 7 Uhr abends dann von dieser Wärmeenergie, vor allem wird es die Süd- und Westseite sein, profitieren und sowas ist durchaus möglich.

Friedrich Idam: Reden wir von einem jetzt noch durchschnittlichen Durchschnitt, im österreichischen Klima vielleicht schon ein bisschen in die nächsten zehn Jahre gedacht, dass es heißer wird. Wie dick jetzt, ganz grob geschätzt nach deinen Erfahrungen, müsste da eine Wandkonstruktion sein, um diese Amplitudenverschiebung von zwölf Stunden zu bewerkstelligen?

Günther Kain: Ja, das ist ganz interessant. Das ist spannenderweise ungefähr in dem Bereich der Blockwanddicke, der historischen Salzkammerguthäuser, wo man mit 10 cm Holzdicke gezimmert hat.

Friedrich Idam: Also mit so geringem Holz…

Günther Kain: Ja, hängt natürlich dann schon auch von der Luftdichtigkeit des Systems ab. Aber da ist man ungefähr so in dem Bereich, wo man die Tagesschwankungen abrufen kann. Das heißt umgekehrt auch, wenn ich das will, wie du angesprochen hast, bringt auch sehr dick nicht viel. Also wenn man wirklich die täglichen Schwankungen abbilden will.

Friedrich Idam: Weil zum Beispiel äußerst ungünstig wäre dann eine Verzögerung um 24 Stunden, weil man dann mehr oder weniger die Tagesspitze hochschaukeln würde.

Günther Kain: Ja, sofern das Wetter gleich bliebe, wäre es so. Es gibt natürlich dann schon in den Nachtstunden auch wieder einen Rückfluss und es ist letztlich zu bilanzieren, was dann überbleibt.

Friedrich Idam: Das sind ja spannende Aspekte. Ich denke, wenn man das möglicherweise dann noch, mit Kernkühlungen des Bauteils, mit zweischaligen Konstruktionen, also es bleibt hier, denke ich, genug noch Forschungspotenzial übrig.

Günther Kain: Ja, und auch ist es nicht unwahrscheinlich, dass wir unsere Gebäude schon in naher Zukunft wirklich mit maßgeschneiderten Hüllen ausstatten, wo wir im Sinne von Simple Smart durch Überlegen und entsprechende Materialauswahl, die Wohnraumklimata entsprechend designen.

Friedrich Idam: Könnte das dann so sein, dass die Wandkonstruktion an der Südseite einen anderen Querschnitt besitzt als an der Nordseite?

Günther Kain: Es ist sogar sehr wahrscheinlich, denn dies bietet viele Vorteile, die du vorhin ja ausgeführt hast. Also es wird von den Himmelsrichtungen und der Sonneneinstrahlung abhängig sein, was ein Bauteil können sollte und somit werden wir uns wahrscheinlich auch von diesen einheitlichen Wandsystemen verabschieden müssen.

Friedrich Idam: Günther, danke für das interessante Gespräch.

Günther Kain: Danke sehr.