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Gebäudedämmung im Unterricht

Gebäudedämmung im Unterricht

Wie können elementare Kenntnisse über thermodynamische Systeme mit einem für den Lernerfolg wichtigen Realitätsbezug modellhaft vermittelt werden, so dass Schüler mit praktischem Handlungswissen ausgestattet den Stellenwert guter Gebäudedämmung für den Klimaschutz verstehen?
Von Dr. Dirk Krämer

(8. Juli 2019) Angesichts der von unseren Kindern zu meisternden Folgen des Klimawandels müssen die Fakten über dessen Zusammenhänge zum zivilisatorischen Basiswissen und daher zum übergeordneten Lernziel allen Schulunterrichts werden. Besondere Verantwortung liegt in diesem Zusammenhang bei den Naturwissenschaften. Dort steht das Grundkonzept der ‚Energie‘ zwar bereits als zentraler – aber auch sehr abstrakter – Begriff im Lehrplan. Die entscheidende Frage lautet jedoch: Wie kann Schülern die Wärmelehre im Unterricht so anschaulich vermittelt werden, dass Motivation und das nötige Handlungswissen entstehen, um nachhaltig etwas zu bewirken? Beispielsweise die Fähigkeit, zu erklären und vorzurechnen, welche Einspareffekte eine Verbesserung der Gebäudehüllendämmung des eigenen Elternhauses hat.

348 Dr. Dirk Krämer

Dr. Dirk Krämer ist promovierter Physiker und seit 20 Jahren als Physik- und 
Mathematiklehrer sowie Umweltbeauftragter an der Privatschule Schloss Hagerhof in Bad Honnef tätig. kraemer@hagerhof.de

Über die letzten Jahre habe ich als Physiklehrer dazu kleine Modellexperimente für meinen Unterricht erdacht und von meinen Schülern erfolgreich durchführen lassen; angefangen mit sehr einfachen Versuchen sowie darauf aufbauend mit komplizierteren Fragestellungen in der Mittelstufe bis hin zu physikalischen Berechnungen theoretischer Art in der Oberstufe. Gerne möchte ich meine Konzepte mit Ihnen teilen und andere Lehrer zur Adaption und Weiterentwicklung meiner Modellexperimente animieren.

Das Modellexperiment

Im Anfängerunterricht Physik in der 6. Klasse kann man damit beginnen, aus Kartonverpackungen kleine Modellhäuschen zu basteln sowie deren Eigenschaften bei einer Beheizung zu messen und zu dokumentieren.

348 Kartonhäuschen mit Heizung & Isolation   / Foto: Dirk Krämer

Die Kartonhäuschen werden isoliert und mit einer Heizung versehen.

In einem zweiten Schritt wird das Modell durch kleine Umbauten in ein Niedrigenergiehäuschen verwandelt. Eine Wiederholung der Temperaturmessungen am veränderten Modell und die vergleichende Analyse eröffnet den Schülerinnen und Schülern den Nutzen und die Sinnhaftigkeit von Energiesparmaßnahmen.

Ungedämmtes Gebäude

Zunächst wird das Modell eines schlecht isolierten Hauses mit einem Fenster aus Folie erstellt. Ein mit 80 °C heißem Wasser gefülltes Filmdöschen dient als Heizung, und schon kann die Erwärmung des Modells gemessen werden. Typische Temperaturverläufe zeigen innerhalb weniger Minuten eine um 5 bis 10 °C über der Klassenraumtemperatur liegende Innenraumtemperatur des Modells. Doch dieses kühlt rasch wieder ab.

348 Heizungswasser mit Spiritusbrenner  / Foto: Dirk Krämer

Das Heizungswasser wird mit einem Spiritusbrenner als Kesselersatz auf 80 °C erhitzt.

Im Maximum der Erwärmung sind die Kinder aufgefordert, mit ihren Händen die Dachflächen zu berühren: Sie stellen dabei fest, dass man die Erwärmung der Häuschen durch die Pappe gut spüren kann und somit die Wärme durch die dünnen Wände entweicht.

Erste Dämmmaßnahmen

Um die Auswirkung einer energetischen Sanierung zu messen, wird das Papphäuschen isoliert: Dazu werden die Dachflächen, der Fußboden und die Wände mit einer 3 mm dicken Isolierschicht beklebt. Diese Isolierschicht besteht aus einer handelsüblichen einseitig mit Aluminiumfolie überzogenen Styroporplatte. Die Bedeutung der Aluminiumfolie für die Reflexion der Wärmestrahlung und des Styropors zur Verringerung der Wärmeleitung sind im regulären Fachunterricht vor dem Experiment bereits thematisiert worden, so dass die Schülerinnen und Schüler den Sinn dieser Umbaumaßnahme durchschauen. Gleichzeitig wird die Fensteröffnung von innen mit einer zweiten Folie versehen, um dem Modell eine ‚Doppelverglasung‘ zu verschaffen.

Der Aha-Moment

Im dritten Teil des Projekts wird das nun veränderte Modellhäuschen erneut mit einer Warmwasser-Filmdose aufgeheizt und seine Temperaturkurve gemessen. Um eine bessere Vergleichbarkeit der beiden Messungen zu erzielen, werden die zweiten Daten mit den Daten des ersten Versuches in einem Diagramm überlagert. Den Schülern wird dabei sofort die Überlegenheit der grafischen Methode gegenüber dem Vergleich zweier Tabellen deutlich. Ein anderer Aspekt, der bei der zweiten Messung adressiert wird, ist die Frage nach dem ‚Verschwinden‘ der Wärmeenergie: Durch erneutes Anfassen stellen die Schüler fest, dass sich das innen wärmere Haus von außen kühler anfühlt. Ein wichtiger Aspekt des Projekts ist, dass die Kinder die fertigen Modellhäuschen gerne mitnehmen, um sie stolz ihren Eltern zu zeigen. Durch die dabei zwangsläufig stattfindende Erklärung des Experimentes gegenüber den Eltern wird der Lerneffekt verstärkt.

348 von Schülern erstelltes Diagramm Temperaturkurven

Von den Schülern erstellte Temperaturkurven des ungedämmten und des isolierten Hauses.

Aufarbeitung im Unterricht

Neben den fertigen Modellhäuschen sind die augenfälligsten Resultate des Unterrichtsprojekts die Diagramme mit den beiden Heizkurven des normalen und des isolierten Häuschens. Deutlich zeigen sie den Erfolg der Wärmedämmung in Form einer höheren Maximaltemperatur und eines langsameren Abfallens der Temperatur. Die höhere Heizkurve bedeutet, dass dieses Haus bei gleicher Raumtemperatur mit geringerer Heizungsleistung auskommt. Reflexionen zum eigenen Verhalten beim Heizen und Lüften runden die Beschäftigung mit dem Thema ab. Gerade die Verknüpfung des Schulstoffs mit Bezügen aus der Alltagswelt dient der Erzeugung von Relevanz und der tieferen Verankerung im Wissensnetz der Heranwachsenden. Hinzu kommt ein nicht unbeträchtlicher Kenntnisgewinn in naturwissenschaftlichen experimentellen Methoden, sei es die Bedeutung und Übertragung von Modellbildungen auf die Wirklichkeit oder die Analyse von Messdaten anhand von Diagrammen.

Solartechnik im Modell

Sind die Schüler vom Experiment fasziniert, lassen sich die Modelle der Schüler in folgenden Unterrichtseinheiten zu einem Passivhaus erweitern, indem die Schüler es mit einem Sonnenkollektor ausstatten, der Wärmeenergie in das Innere leitet und so das Haus ganz ohne Heizung beheizt. Als Modell eines Sonnenkollektors findet eine Streichholzschachtel Verwendung, deren Boden aus einer schwarz bemalten Kupferfolie besteht und die von oben mit einer Plastikfolie gegen den Wärmeverlust beklebt wird. An der Stelle, an der dieser Kollektor sitzt, wird ein entsprechend großes Loch in das Dach geschnitten, so dass die erhitzte Folie ihre Wärme via Infrarotstrahlung in das Haus abgeben kann.

348 Haus Doppelverglasung & Solaranlage  / Foto: Dirk Krämer

Mit Doppelverglasung und Solaranlage ausgerüstetes Energiesparhäuschen.

Vertiefung in der Mittelstufe

In der Mittelstufe bietet es sich an, das Experiment erneut aufzugreifen und zu vertiefen: Wird neben der Temperaturerhöhung auch die Wassertemperatur des Filmdöschens vor und nach der Aufheizphase gemessen, kann die an das Haus abgegebene Wärmemenge berechnet werden. Auch die Oberfläche des Modells ist einfach zu bestimmen. Mit diesen Daten ist es nach der folgenden Formel möglich, den U-Wert des Modells zu ermitteln, also den Wert, der angibt, wie viel Heizenergie pro Sekunde durch einen Quadratmeter Bauhülle entweicht, wenn es draußen 1 Grad kälter ist als drinnen:

348 Formel u ≈ W / t * A * (Tmax - T0)

u ≈ W / (t * A * (Tmax - T0))

Dabei ist W die abgegebene Wärmemenge in Joule, t die Heizzeit in Sekunden und A die Oberfläche des Häuschens in m2 und Tmax sowie T0 sind die Maximal- und die Starttemperatur. Dieses Vorgehen ergibt brauchbare Werte für u und hilft den Jugendlichen, die Bedeutung des U-Wertes verstehen zu können. Eine logische Ausweitung der Versuche ist die näherungsweise Bestimmung der U-Werte der Schulgebäudehülle mittels einer Faustformel, die in der Energiedepesche bereits vorgestellt wurde. Hierbei leistet auch die ausleihbare Wärmebildkamera vom Bund der Energieverbraucher gute Dienste.

Zur Nachahmung empfohlen!

Die Resultate dieser Messungen führen regelmäßig zu Engagement der Schülerinnen und Schüler sowohl bezüglich des Energieverbrauchs der Schule als auch, wie mir Eltern zurückmeldeten, hinsichtlich der Wärmedämmung zu Hause, und ist ein gutes Beispiel für einen gelungenen Transfer von Schulwissen zu pragmatischer Handlungskompetenz. Ich freue mich über Berichte Ihrer Umsetzung meiner Idee oder vergleichbarer Konzepte!