BAUPHYSIKALISCHE BETRACHTUNGEN ZUM BAUEN MIT LEHM

Dieser Beitrag will zeigen, daß für den Baustoff Lehm bei den bekannten bauphysikalischen Ansätzen zwar theoretische Lücken bestehen, die seine positiven Eigenschaften nicht voll zur Geltung kommen lassen, daß es trotzdem gut möglich ist, einfache und sichere Konstruktionen einzusetzen und das rechnerisch nachzuweisen. Und es soll gezeigt werden, daß Lehm darüber hinaus bei besonders problematischen Konstruktionen wie der Wandinnendämmung sinnvoll eingesetzt werden kann. Die folgenden Betrachtungen beschränken sich auf Wärmeleitung, Wärmestrahlung, Wasserdampf- und Feuchtetransport von Außenwandkonstruktionen. Sie lassen sich leicht für das Dach übertragen. Weitere Punkte wie Schallschutz und Brandschutz werden hier nicht behandelt. Der vorliegende Text hält sich in an die Begriffe der DIN 4108 und an S-I-Einheiten. H. Grote zitiert in "Bauen mit Kopf" das Varietätsgesetz von W. Ross Ashby: "Die Komplexität des Geschehens ist nur durch entsprechende geistige Komplexität zu beherrschen." Die DIN-Normen listen unter "91.120.10 Wärmedämmung" drei engbedruckte Seiten über Normen, VDI-Richtlinien, Rechts- und Verwaltungsvorschriften der Länder usw. auf, die als "Stand der Technik" das notwendige Planungswissen darstellen. Der vorliegende Beitrag versucht, dem Leser einen Weg durch diese teilweise aufgebläht wirkende Komplexität hin zu den physikalischen und ingenieurmäßigen Abstraktionen von der Wirklichkeit zu zeigen. In fast jeder Diskussion über die Vorteile des Lehmbaus fallen die Stichworte Bauphysik und Speichermasse, ohne daß ihre Bedeutung belegt würde, und in älteren Büchern über Lehmbau steht, daß Lehmhäuser 20-30 % weniger Energie verbrauchen und die Wärme besser halten. Was für ein schöner, anschaulicher Begriff. In Lehmbaukreisen heißt es dann oft, die gesamte k-Wert-Diskussion sei ein fauler Zauber der Dämmstoffindustrie. In diesem Spannungsfeld bewegt sich der folgende Beitrag. Er versucht, Antworten zu geben, ohne das alte überkommene Wissen der Bewohner von Lehmhäusern als Aberglauben abzutun: "Im Sommer kühl, im Winter warm." Einige Stunden aus dem Leben einer Außenwand Betrachten wir in dem (auf Abb. 1) dargestellten Beispiel eine Außenwand während eines Tages und stellen uns dies für ein ganzes Jahr vor, dann sehen wir, daß sie vielfältigen Belastungen und Beanspruchungen ausgesetzt ist, die täglich und jährlich periodisch wechseln. Innen wird geheizt, es wird gelebt, es entsteht Wärme, Wasserdampf, Feuchtigkeit, von außen regnet es auf die Wand, die Sonne scheint, es fällt Schatten auf sie usw. Wärmeleitung; Wärmestrahlung; Wasserdampf; Feuchtigkeit2 Transportweg: Von wärmer zu kälter; Von der wärmeren Oberfläche zur kälteren; Vom höheren Wasserdampfgehalt zum niedrigeren; Von feuchter zu trockener Nachweis: WSVO, k-Werte, Energiekennzahlen; --; Tauwasserberechnung Über vier Transportwege werden Wärmeleitung, Wärmestrahlung, Wasserdampf und Feuchtigkeit ausgeglichen. Im Winter erfolgt die Transportrichtung des Wasserdampfs von innen nach außen, wobei es unter Umständen an der Wandoberfläche oder im Bauteil zur Kondensation, zum Ausfall von Wasser kommen kann. Gleichzeitig entsteht dann ein Feuchtetransport, z.B. durch Regen von außen nach innen, die beiden "Wassertransporte" überlagern sich. Ebenso überlagern sich Wärmestrahlung und Wärmeleitung. Die Wärme wird im Winter von innen nach außen transportiert, gleichzeitig scheint von außen die Sonne auf die Wand, die Strahlung wärmt die Wand auf und überlagert sich der Bewegung von innen nach außen. Alle Probleme sind zeitabhängig, es gibt tägliche bis jährliche Schwankungen. Die einzelnen Vorgänge sind offensichtlich miteinander verknüpft: Wärmestrahlung führt zur Erwärmung von Luft und Bauteilen, wie aus dem Alltagsleben bekannt. Die Aufgabe des Ingenieurs ist es, Modelle zu entwickeln, die solche Vorgänge zahlenmäßig erfaßbar machen. Gut entwickelte Modelle bestehen für Wärmeleitung und Wasserdampf; Feuchtetransport und Wärmestrahlung sind wesentlich schwerer zu erfassen. Da sie bei Naturbaustoffen im allgemeinen und bei Lehm ganz besonders eine größere Rolle spielen, ist eine Diskrepanz zwischen dem Gerechneten und dem Beobachteten unvermeidbar. (Abb. 2) Wärme Im Mittelpunkt aller Diskussionen steht heute das Energiesparen, der Wärmeverlust des Gebäudes, vor allem über die Außenhaut. Die Notwendigkeit, dies unter ganzheitlichen Gesichtspunkten zu betrachten - wie Lage des Gebäudes, notwendige Anfahrt, Wohnfläche pro Bewohner, Haustechnik usw. -, brauche ich hier nicht zu betonen. Jedoch möchte ich fragen, wer schon einmal bei einem Entwurf, auch bei einem explizit ökologischen Entwurf, etwas über das Verhältnis zwischen wärmeübertragender Hüllfläche und Nutzfläche, von dem A/V-Verhältnis, erfahren hat. Baut man statt drei Einfamilienhäusern dieselben als Reihenhäuser nebeneinander, verkleinert sich allein die Fläche der Außenwände um ein Drittel. Anders ausgedrückt: die Wärmeverluste über die Außenwände sind gleich, ob man nun beim Einfamilienhaus mit dem "guten" k-Wert von 0,3 oder beim Reihenhaus mit dem "schlechten" von 0,45 [W/m2K] baut. Neben der größeren und teureren Außenwandfläche steigt auch der Aufwand für den um 50 % besseren k-Wert um mehr als 60 %. Wärmeleitfähigkeit Die Wärmeleitfähigkeit als entscheidende Stoffkennzahl für die Wärmeverluste durch Wärmeleitung variiert entsprechend der gebräuchlichen Rohdichte beim Lehmbau von 400 bis 2000 [kg/m3] um den Faktor 10. Daher scheint es auf den ersten Blick naheliegend, Außenwände - wie in anderen Bauweisen - möglichst leicht auszulegen. (Abb. 3) Lehmaußenwände Die vorgestellten Konstruktionen bewegen sich in den heutigen Vorstellungen von Dämmung, also wie bei Außenwandkonstruktionen aus anderen Baumaterialien bei k-Werten zwischen 0,2 bis 0,5 [W/m2K]. Die Entscheidung für die eine oder andere hängt ab von dem statischen Gesamtkonzept: Lastabtragung über Lehm oder Holz; Massivlehm-, Holzständer- oder Holzrahmenbau dem angestrebtem k-Wert: ein sehr niedriger k-Wert läßt sich nur durch entsprechende Dämmstärke erzielen der angestrebten Einbauart: naß oder trocken und entsprechende Trockenzeiten der möglichen Selbsthilfe: hoher Anteil oder möglichst keine Selbsthilfe. Die folgende Grafik zeigt eine mögliche Systematik von Lehmaußenwandkonstruktionen nach Lastabtragung und angestrebtem Dämmwert. (Abb. 4 ) Beispiele für die gezeigten Konstruktionen sind:3 Ort; Beschreibung; Ausführung; Anwendung Kindergarten in Gandau bei Magdeburg; Tragende Leichtlehmsteine der Fa. Eider; Bauunternehmen; selten Ort; Beschreibung; Ausführung; Anwendung Kindergarten in Gandau bei Magdeburg; Tragende Leichtlehmsteine der Fa. Eider; Bauunternehmen; selten Siedlung Hjorthøj /Århus, Dänemark; Stampflehm mit Zellulosedämmung; Selbsthilfe; selten BV Linderhofstraße, Berlin-Mahlsdorf; Holzleichtlehm, feucht eingebaut; Selbsthilfe; häufiger Reihenhaus Hannover; Holzleichtlehm, feucht eingebaut, 5 cm Schilfrohr; Selbsthilfe; häufiger Siedlung Saarbrücken, Saarbrücken-Buus; Strohleichtlehm, feucht eingebaut, (5 cm Schilfrohr) ; Selbsthilfe (ABM) ; häufiger Projekt Franz Volhard, Darmstadt; Holzrahmenbau, außenliegende Schilfrohrdämmung; --; Selten Siedlung Landhof, Schöneiche; Holzständerbau, Lehminnenschale; Lehmbaufirmen; Häufig Um dies etwas allgemeiner darzustellen, wurde für homogene Lehmwände mit gängigen Wanddicken die Abhängigkeit des k-Wertes von der Rohdichte berechnet und dargestellt. Gehen wir von einer Lehmaußenwand, 2 cm Kalkputz, Lehm in verschiedenen Rohdichten, 2 cm Lehminnenputz aus, so sehen wir: Will man einen k-Wert von 0,5 einhalten, ist dies bei einer Wand mit der Gesamtdicke von 60 cm nur bei einer Rohdichte von 920 kg/m3 und geringer möglich. Diese Berechnung wurde ebenfalls für gedämmte Wände durchgeführt. Dabei wurden Wände mit einer 5 cm dicken Schilfrohrdämmung untersucht, bei dickerer Dämmung wurde ein Aufbau mit Zellulosedämmung gewählt. Bei einer Gesamtdicke der Wand von 50 cm kann schon mit etwas schwererem Lehm gearbeitet werden. Man sieht, daß bei stärkerer Dämmung der Einfluß des Lehms auf den k-Wert abnimmt, d.h. es ist naheliegend, mit schwerem Lehm zu arbeiten. (Abb. 5) Entsprechend der vorgestellten Systematik wurden über Lehm und über Holzständer lastabtragende Konstruktionen verglichen. Doch lag das Augenmerk nicht allein auf der Dämmung, sondern es wurden als weitere "Qualitäten" Selbsthilfeeignung, Trocknung, Dicke, Kosten sowie die Auskühlzeit als Maßstab für die Speicherfähigkeit der Wand angegeben. Dabei gilt eine Auskühlzeit von 82 Stunden - also die Zeit einer 36,5er Wand aus gebrannten Ziegeln - nach Eichler als Komfortmaß. Höhere Werte deuten auf eine bessere Wärmespeicherung hin. In bezug auf Kosten und Speichervermögen zeigt sich, daß eine Holzständerwand mit einer Ausfachung aus Holzleichtlehm und einer Außendämmung der häufig favorisierten Wand mit einer Lehminnenschale überlegen ist, die Wärmedämmung ist kaum geringer. Auch Konstruktionen, bei denen Lehm die Lasten abträgt, sind eine Alternative und werden noch interessanter, wenn die Preise für Stampflehm und Mauerwerk fallen. (Abb. 6) Innendämmung Es gibt trotz aller bauphysikalischen Bedenken viele gestalterische Anlässe, eine Innendämmung zu erwägen: Sollen Fachwerk, Sichtmauerwerk oder Feldsteinmauerwerk sichtbar bleiben, gibt es die nachfolgend dargestellten vier Ausführungsvarianten, die näher untersucht werden: 1. eine einfache Hintermauerung, 2. die etwas von der Wand abgerückte und mit Leichtlehm hinterfüllte Hintermauerung, 3. eine homogene Hinterfüllung mit Leichtlehm vor Ort in unterschiedlichen Graden der Vorfertigung und 4. eine Innendämmung mit einer leichten Platte, beispielsweise aus HWL oder Schilf. Das ist allerdings eine Variante, bei der es Tauwasserprobleme gibt (Abb. 7). Abb. 8 zeigt, daß akzeptable k-Werte durchaus zu erreichen sind. Daneben lassen sich Wanddicke und Kosten ablesen. Und es wird an der, allerdings nur groben Kalkulation deutlich, daß mit unterschiedlichem finanziellen Aufwand die gleiche Wirkung zu erzielen ist. Auch hier sind die Auskühlzeiten angegeben. Für diese Ausführungsvarianten wurde ebenfalls die herkömmliche Tauwasserberechnung nach DIN 4108, Teil 3, durchgeführt. Dabei ist in der Grafik der rechnerische Tauwasseranfall in der Verdunstungsperiode aufgetragen. Das Tauwasser soll auf 1 kg oder ein Liter pro Quadratmeter begrenzt werden und auf eine weitere Restriktion im Bereich der Holzständer. Erklärlich sind Probleme bei HWL- und Schilfplatten, wenn man den Temperaturverlauf über die Wanddicke betrachtet. Er sollte in einer solchen empfindlichen Konstruktion keinen allzu starken Knick haben, sondern ähnlich wie in einer homogenen Wand verlaufen. (Abb. 9) Für die Innendämmung einer Fachwerkwand stehen somit eine Reihe von Konstruktionen zur Verfügung. Es kommt also stets auf die jeweilige Ausführung an. (Abb. 10) Tabelle 1: Bei der Berechnung nach DIN 4108 fällt bei den Konstruktionen Tauwasser an. Kapillaren Wassertransport gewährleisten durch Entfernen alter dichter Anstriche. Vermeiden: dichte Anstriche auf der Rauminnenseite; Luftschichten und Sperren in der Konstruktion; Sperren auf der Außenwand-Innenseite wie Fliesen, Ölanstriche usw.; fugendichte Fenster Möglichst: Heizung mit hohem Strahlungsanteil, die auf die Wandaußenseite abstrahlt; das Tauwasser auf 0,5 kg/m2 begrenzen. (Nach: Dr. Jörg Schulze, Rheinisches Amt für Denkmalpflege, in: das bauzentrum - Denkmalpflege '90) Burkard Rüger Anmerkungen 1 Alle Abbildungen in der Veröffentlichung als Buch 2 Die Auflistung hat folgende Systematik: Wärmeleitung; Wärmestrahlung; Wasserdampf; Feuchtigkeit. 3 Die Auflistung hat folgende Systematik: Ort; Beschreibung; Ausführung; Anwendung. nächster Beitrag