Als Mensch beschreiben wir die Wärmecharakteristik eines Hauses sehr pragmatisch aufgrund unserer subjektiven Sinneseindrücke, die permanent über die Temperatursensorik der Haut gehen. Je nach Temperaturbild auf unserer Haut liefern wir eine entsprechende Interpretation. Dass hier viel Illusion und Täuschung einfliesst liegt in der Natur der Wahrnehmung. Innerhalb dieser subjektiven Wahrnehmung wird über Jahrtausende hinweg der Wärmehaushalt durch die Zeit geführt.

• Temperatur

  Die Temperatur oder eben das Wärmepotential nehmen wir als Mensch direkt wahr, da unsere Haut der Temperatur gegenüber empfindlich ist. Wir nehmen die Medien wahr, die auf unsere Haut treffen, - sei es die umgebende Raumluft, oder ein warmer Gegenstand, der uns unmittelbar berührt.

• Wärmeströme

  Wärmeströme nimmt der Mensch nicht eigentlich wahr. Sie manifestieren sich für den Menschen als zeitliche Änderung der Temperatur. Wärmeströme zeigen sich in drei charakteristischen Formen. 

  • Wärmeleitung

    Wärme dringt durch einen Körper hindurch, ohne dass sich dieses Wärmemedium selbst mit bewegt. Diese Art des Wärmetransport ist schwer vorstellbar und mit unserem menschlichen Sensorium nicht direkt wahrnehmbar.

  • Wärmekonvektion

    Bei Konvektion wird die Wärme von einem Mediums - klassischerweise Luft oder Wasser - von A nach B getragen.

   

  • Wärmestrahlung

    Ein dritter Weg ist die medien-unabhängige Transportmethode. Strahlung dringt hier in den Raum und produziert die Wärme erst an der Oberfläche, wo sie auftrifft und absorbiert wird. Wir spüren diesen Wärmestrom auf der Haut, wenn wir uns in die Sonne setzen. Der Transport findet also nicht mediengebunden statt.

Die Baustruktur ist quasi der Wärme-Eimer, wo die Wärme hineinkommt, gelagert wird, langsam an Wärme verliert oder aufgeheizt wird und schliesslich beizeiten wieder ausgeschüttet wird.

Auch wenn die wärmetechnische Phänomenologie physikalisch gesehen sehr komplex ist, lassen sich die gängigen traditionellen Baumaterialien und deren Eigenschaften kurz katalogisieren. 

• Materialien

  • Mauerwerk
  • Lehmziegel
  • Holzriegel
  • Massivholz
  • Steinziegel
  • Strohschicht
  • u.ä.

• Wärmeleitung

  Die Häuser sind mit traditionellen Materialien sehr schwer dicht zu kriegen, was dazu führt, dass die Wärmeleitung gegenüber der Wärmekonvektion in gemässigtem Klima meist keine übergeordnete Rolle gespielt hat.

• Wärmespeicherung

  Da extreme klimatische Umgebungen meist auch statische Robustheit fordern gegen Wind und Schneelast ist die Wärmespeicherung oft eine implizite Folge von statisch massiver Bauweise. 

Luft als der hauptsächliche Wärmeträger in der traditionellen Architektur ist für die Wärmeverteilung in den Innenräumen verantwortlich. Da die Luft auch Feuchtigkeit aufnehmen und abgeben kann trägt sie auch wesentlich zur Regulierung der Feuchtigkeit bei. Was die energetische Betrachtung angeht, so beschränken wir uns hier allerdings auf die idealisierte "trockene Variante".

Die Problemstellungen bezüglich Feuchtigkeit im Wohnraum würde unsern Rahmen sprengen, weshalb wir diese der klassischen Bauphysik überlassen. Das Thema mit Enthalpien, Kondensation usw. ist extrem komplex.

Unser Ziel ist nicht die physikalische Detailanalyse, sondern schlussendlich die zeitliche Gesamtschau von Wärmegleichgewichten.

• Einfache Wärmekonvektion

  Im Haus finden wir die Konvektion hauptsächlich als Luftströme wieder. Eine Art Transportmittel für Wärmeenergie. Diese Art der Konvektion trägt sozusagen die Wärme, respektive die Kälte von A nach B ... eben eine Art "Durch-Zug" der über die Systemgrenzen hinaus geht.

  • Offensichtliche Luftzirkulation spüren wir durch das offene Fenster zum Beispiel beim Lüften, wenn kalte Luft herein kommt, respektive warme Luft hinaus geht. 
  • Ferner sind wir mit unzähligen Konvektionsquellen konfrontiert, die sich unweigerlich im Hausbau einfinden. Jede undichte Stelle, jede "Materialnaht", jedes Schlüsselloch ist unweigerlich eine potenzielle Ein- oder Ausfuhr von Wärme.
  • Schliesslich haben wir noch "kanalisierte" Konvektionen wie Kamine

   

• Zirkuläre Konvektion

  Darunter verstehen wir quasi einen Wärmestrom-Kreislauf in einem geschlossenen Raum, wo die Wärme im Sinne eines "Pendelns" portionenweise eine Strecke "konvektiv überbrückt".

  Also eine Art "Shuttle-Bus".

  • Als Beispiel nehmen wir die Raumluft, die sich am Heizkörper wärmt, - dann über die kalten Wände streichend die "geladene" Wärme abgibt, - und schliesslich wieder zum Heizkörper zurückfindet um sich erneut zu wärmen, - usw.
  • Auch innerhalb eines Backsteins wird in den geschlossenen Luftkörpern Wärme so zwischen den Materialgrenzen transportiert.
  • Schliesslich kennen wir noch die Doppelverglasung, wo die eingeschlossene Luft Wärme von der Innenscheibe zur Aussenscheibe transportiert wird.

  
  
  

Die Strahlungswärme ist die abstrakteste Art des Wärmetransports. Da elektromagnetische Strahlung von uns Menschen sehr unterschiedlich wahrgenommen wird, sind wir uns meist nicht so ganz bewusst, dass Licht und Wärmestrahlung vom Prinzip her die selben physikalischen Wurzeln haben, grundsätzlich aber nicht im gleichen Frequenzbereich stattfinden. Genau deswegen verhalten sie sich den Materialien gegenüber sehr verschieden.

• Strahlungswärme

  darunter verstehen wir Menschen wohl jene Strahlung, die wir beim auftreffen auf unsere Haut als Wärme empfinden, das kann physikalisch gesehen vieles sein ...

• Infrarotlicht

  Dies ist jener Frequenzbereich der elektromagnetischen Strahlung, der unterhalb des sichtbaren roten Bereichs liegt.

• Sonnenlicht

  Dies ist jener Bereich der Sonnenstrahlung, den wir mit unserem menschlichen Auge wahrnehmen.

• Sonnenstrahlung

  Darunter versteht man das ganze Strahlungsspektrum, das wir auf der Erdoberfläche von der Sonne noch abbekommen, - dies geht vom ultravioletten bis in den Infrarotbereich, enthält also auch Anteile die wir eben nicht sehen.

Folgende Phänomene betreffen schliesslich den Wärmehaushalt unserer Wohnräume

• Sonnenstrahlung auf die äussere Struktur

  Die Sonnenstrahlung trifft ungehindert auf die äussere Haut unseres Wohnkörpers. Beim Auftreffen auf die Struktur wird der absorbierte Teil der Strahlungsenergie von der Struktur in Form von Wärmeenergie aufgenommen, -

  • einerseits schliesslich an die Umgebungsluft (molekulare Schwingungsenergie)
  • andrerseits in die Struktur abgeleitet (molekulare Schwingungsenergie)
  • als Infrarotstrahlung abgestrahlt (elektromagnetische Strahlung)

  Die Sonnenstrahlung stellt einen intensiven potenziellen Wärmestrom dar. Wenn man weiss, dass die Quadratmeterleistung in die Nähe des Leistungsbereichs einer Herdplatte kommen kann, dann wundert man sich nicht, wenn direkt angestrahlte Fassaden- und Dachtemperaturen in die Höhe schnellen. Nicht umsonst  sind südliche Fassaden weiss getüncht, damit ein  grosser Teil der Sonnenstrahlung reflektiert wird. Dennoch wird ein gewisser Strahlungsanteil absorbiert und in Wärme gewandelt. Dieses Temperaturpotential, das sich auf den äusseren Schichten aufbaut, wandert je nach Material mit einer charakteristischen Geschwindigkeit  ...   in die Wand hinein. Dass ein grosser Teil dieses Wärmestromes sich vorerst schichtenweise im Material aufspeichert, das werden wir noch genauer untersuchen. Wir können uns hier schon mal vorstellen, dass ein grosser Teil ein paar Stunden später wieder in den kühlen Nachthimmel zurückfliesst.

  Jedoch fällt uns auf, dass schon Jahrtausende alte Kulturen ein differenziertes Gefühl entwickelten für diesen, in Wahrheit sehr komplexen Wärmehaushalt von massiven Mauern.

• Direktimport durch offenes Fenster

  Hier passiert grundsätzlich das gleiche wie an der Aussenwand, das offene Fenster ist eine Art Blende für die entgegengesetzte Richtung.

  Was die direkte Sonneneinstrahlung durch die Fenster betrifft, so wird dieser nicht verzögert. Kaum trifft die Sonnenstrahlung auf eine absorbierende Oberfläche im Innern, so wird die absorbierte Strahlungsenergie in Wärme umgewandelt und somit an die Innenseite Struktur abgegeben. Da im Winter der Sonnenstand tief ist, gelangt hier die Wärme leichter durchs Fenster, was in der kalten Jahreszeit durchaus positiv ist.

• Direktimport durch geschlossenes Fenster

  Das Fensterglas lässt einen grossen Teil der Sonnenstrahlung hindurch. Sie trifft schliesslich auf die innere Wandstruktur. Hier geschieht erneut die Transformation in die bekannten Energieformen

  • einerseits schliesslich an die Umgebungsluft (molekulare Schwingungsenergie)
  • andrerseits in die Struktur abgeleitet (molekulare Schwingungsenergie)
  • als Infrarotstrahlung abgestrahlt (elektromagnetische Strahlung)

  All diese Wärmeenergieformen bleiben nun im Raum gefangen, weil das Fensterglas Infrarotstrahlung blockt. Nur ein Teil des reflektierten (nicht vom Raum absorbierten) Strahlungsanteils kann durch die blendenartige Fensterfläche hindurch direkt wieder dem Raum entfliehen.

  Der verglaste Raum ist also eine eigentliche Strahlungsfalle.

  Dieses Prinzip nutzen wir auch im Sonnenkollektor.