Thread by @DrLutzBoehm

In diesem #WissKomm Thread möchte ich über Wärmeleitung, Isolation von Gebäuden und potentielle Schimmelbildung reden und euch das anhand dieses Bildes erklären.

Nicht wegrennen, ich erkläre das Stück für Stück. Man kann was lernen!

#Verfahrenstechnik #Thermodynamik

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Zunächst mal vorne weg: Ich erkläre das möglichst einfach, im Detail ist es komplizierter. Ich bin auch kein Bauingenieur und kein Schimmelexperte. Physik und Mathematik dahinter sind aber #Verfahrenstechnik und #Thermodynamik.

Legen wir los:

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Wir nehmen mal an, wir haben in der Wohnung 20°C und draußen 0°C. Dazwischen liegt die Außenwand des Hauses. Durch diese Wand wird es Wärmeleitung geben. Das kann man in der Realtität im Prinzip nicht verhindern.
Wärme geht nach außen verloren --> wir müssen nachheizen

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Wärmeleitung bedeutet, dass eine bestimmte Wärmemenge Q (in Joule) pro Zeit (in Sekunden) gibt, in der Formel Q mit einem Punkt drüber bzw \dot_Q, die durch die Wand tritt. Haben wir, wie in der Wand, reine Wärmeleitung, kann man dies mit dem Fourierschen Gesetz berechnen

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Fouriersches Gesetz: \dot_Q=-lamda*(dT/dy)

\dot_Q…Wärmestrom
lamda…Wärmeleitfähigkeit
T…Temperatur
y…Längenkoordinate durch die Wand
(dT/dy)…Temperaturgradient durch die Wand

Ein Wärmestrom tritt aufgrund des Minus im Gesetz immer entgegen dem Temperaturgradienten auf
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Klingt kompliziert, heißt aber eigentlich nur, dass der Wärmestrom von der hohen Temperatur zur kleinen Temperatur fließt. Intuitiv verständlich, oder?

Ha! Und ihr behauptet immer, dass #Thermodynamik so schwer ist! Stimmt gar nicht ;-) Wieso?
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Was da oben steht ist im Prinzip der 2. Hauptsatz der #Thermodynamik nach Clausius:
Es ist nicht möglich ist, Wärme von selbst von einem kälteren zu einen wärmeren Körper fließen zu lassen.

Aus der Alltagserfahrung verständlich, oder?

Zurück zu #Wärmeleitung

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lambda, also die Wärmeleitfähigkeit, ist eine stoffspezifische Größe.
Wieder plakativ: Dichtere Stoffe, wie Steine, haben ein großes lamda, weniger dichte zB poröse Stoffe wie Styropor eine kleines lamda.
Letzteres wird bei der Isolierung von Häusern genutzt

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Ich werde im folgenden häufiger mit dem Temperaturgradienten (dT/dy) argumentieren und dabei meistens den Betrag, also den positiven Wert, meinen, da die Erklärung vereinfacht.

Nun baue ich also eine Isolierung auf die Außenseite der Wand, dargestellt in hellblau.
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Mit der Isolierung muss der Wärmestrom sozusagen einen längeren Weg (y wird "größer") zurücklegen. Da die Temperatur innen und außen gleich bleiben soll, verringert dies definitiv den Wärmestrom.

Sinn der Isolierung: Sie verlangsamt der Austrag von Wärme aus der Wohnung
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Außerdem hier: 2 Stoffe mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit.
Da aber \dot_Q von innen nach außen konstant ist und lamda sich unterscheidet, müssen sich auch die Temperaturgradienten unterscheiden.
Kurz gesagt: lamda groß, Temperaturgradient klein und andersrum
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Gleiches gilt im Prinzip im hier grün dargestellten Fall, der eine Isolierschicht auf der Innenseite zeigt.
Ihr denkt: Haha, wer macht denn sowas?
Wer mal eine große Schrankwand oder eine Couch zu nah an eine Außenwand gestellt hat, sollte hier die Hand heben.
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Nun wird ja aktuell häufiger über eine niedrigere Temperatur in der Wohnung im Winter gesprochen. Nehmen wir mal 17°C. Das wäre der orangene Fall. Auch ohne Isolierung reduziert das definitiv auch schon mal den Wärmestrom durch die Wand. An sich auch gut.
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Da ich ja noch etwas zum Schimmel sagen möchte, muss ich an dieser Stelle zum Mollier-h_1+Y-Diagramm kommen.
Ich gehe mal der Einfachheit halber davon aus, dass Schimmel auftritt, wenn Wasser in kondensierter, also flüssiger Form vorliegt.
14/27

Das Mollier-Diagramm sagt mir, unter welchen Umständen Wasser kondensiert. In der Luft ist ja dampfförmiges Wasser vorhanden. Daraus resultiert eine Luftfeuchtigkeit. Die Luftfeuchtigkeit PHI ist ein relativer Wert zwischen 0 und 1.
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Die relative Luftfeuchtigkeit bezieht bei einer bestimmten Temperatur den Anteil des Wasserdampfes in der Luft auf den maximal möglichen Anteil. Dieses Maximum ergibt sich aus dem Dampfdruck.
Wasser hat einen Dampfdruck von 1bar bei 100°C. Wasser kocht dann.
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Aber auch bei jeder anderen Temperatur verdampft Wasser mit einem dann niedrigeren Dampfdruck (dies ist der oben genannte "maximale" Druck").
Kennt jeder: Lasse ich ein Glas Wasser stehen, wird die Wassermege mit der Zeit abnehmen.
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Das Problem hier nun: Habe ich Luft mit einer gewissen realtiven Feuchte und kühle diese ab, wird das Wasser irgendwann kondensieren, weil kalte Luft weniger dampfförmiges Wasser aufnehmen kann.
Auch das kennt ihr, nämlich aus dem Kühlschrank.
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An der kalten Rückwand bilden sich die Tropfen die dann abfließen und durch eine Öffnung nach außen geführt werden, wo das gesammelte Wasser an der Außenluft dann wieder, tadaa, verdampft.

Leider passiert etwas ähnliches auch eurer ggf isolierten Wand.
19/27

Das Diagramm zeigt mir nun, daß ich bei einer Temperatur von 20°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 0,6 ab einer Temperatur von 12°C Kondensation habe, also Schimmelgefahr habe.
Nochmal: Ich erkläre das sehr vereinfacht, hoffe aber, dass man so das Problem versteht.

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Aus der vereinfachten Beschreibung soll klar werden, dass ohne Isolierung "mittelschnell" Kondensation auftreten kann, bei Isolierung innen am "schnellsten", bei Isolierung außen am wenigesten "schnell".
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"Schnell" wird in meiner einfachen Betrachtung anhand der Schichtdicke DELTA_s bis zur Temperatur 12°C beschrieben.
Kleine Schichtdicke="schnelleres" Auftreten von Kondensation und andersrum
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Setzen wir nun 17°C Innentemperatur und eine gleiche Wasserdampfmenge in der Luft an, in der Konsequenz also eine relative Luftfeuchtigkeit von ca. 0,75, haben wir ohne Isolation im Vergleich zu 20°C ebenfalls ein "schnelleres" Auftreten von Kondensation.
23/27

Bevor mir die Expert:innen den Hals umdrehen: In der Realität reduziert sich die Temperatur nicht erst in der Wand sondern schon zur Wand hin, weswegen eben nicht irgendwo in der Wand die Kondensation auftritt sondern eben an der Oberfläche + dort auch der Schimmel auftritt
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Der Einfachheit halber habe ich es so versucht und hoffe, dass die Erklärung trotzdem etwas zum Verstehen beiträgt.

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Was kann man daraus lernen:
Warum ist Außenwandisolation gut? Sie verringert den Wärmstrom
Warum ist Innenisolation (Stichwort: Couch, Schrankwand) schlecht? Sie erhöht die Schimmelwahrscheinlichkeit

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Was sollte ich bei 17°C Innentemperatur beachten? Die Luftfeuchtigkeit sollte nicht zu hoch sein, damit es an der Wand nicht zu Kondensation und Schimmel kommt.

Ein #WissKomm #SciComm Thread zu Wärmeleitung, Isolation und Schimmelbildung

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