Post on 09-Sep-2019
Friere ich in Lego? - Welches ist der beste Dämmstoff?
ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht
FRANKFURT AM MAIN
Jugend forscht 2010
Oliver Kalk
Schule:
Immanuel Kant SchuleEvreuxring 2565428 Rüsselsheim
Referat über den Einfluss verschiedener Dämmstoffe auf die Abkühlung eines Modellhauses Oliver Kalk
Rüsselsheim, Immanuel-Kant-Gymnasium, Klasse 8lf2
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Referat über
Versuche mit verschiedenen
Dämmstoffen in Bezug auf die Abkühlung eines Modellhauses
aus Pappe
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Einleitung
Wie ich auf die Idee gekommen bin:
Im Physikunterricht haben wir uns mit dem Thema "Dämmung" befasst. Da ich
mit meinen Eltern in einem (Reihen)Haus wohne, kam mir die Idee, einen Versuch
mit unterschiedlichen Materialien zu machen. Anfangs war nicht so klar, um
welche Art Häuser es sich handeln kann, bis ich mich für die Häuser aus fester
Pappe entschieden habe, die es in verschiedenen Größen gab. Damit konnte man
mehrere Häuser ineinander setzen, so dass zwischen den Häusern ein Dämmraum
zur Verfügung stand.
Klassische Materialien sollten mir eine ungefähre Dämmwirkung vermitteln, die
anderen Materialien habe ich mir frei ausgewählt. Jedes Kind baut mit LEGO,
Gummibärchen schmecken lecker und Vogelsand machte auf mich einen sehr
soliden Eindruck. Natürlich hatte ich bezüglich der unterschiedlichen Materialien
eine Erwartungshaltung bezüglich der Ergebnisse. Wie später noch beschrieben
wird, wurde ich aber ziemlich überrascht.
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Aufbau und Durchführung der Dämmversuche
Materialien:
3 große Häuser, 3 kleine Häuser (alle aus fester Pappe) mit abnehmbaren
Giebeldächern, 3 gleich große Einmachgläser mit Deckel (Volumen 0,5 Liter),
Vogelsand, Styropor, Holz, Legosteine, Stroh; Thermometer mit Fernfühler
Zum besseren Verständnis der Versuchsmaterialen und des Versuchsaufbaus sind
Abbildungen über die Versuchsmaterialen angehängt.
Daten der Häuser (Angabe in cm):
Großes Haus Kleines Haus
Höhe (ohne Dach) 12,9 9,9
Höhe (mit Dach) 19,3 14,6
Länge 11,5 8,3
Breite 11,8 8,4
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Aufbau:
Das kleine Haus wird in das große gestellt, so dass ein 1,5cm breiter „Dämmraum“
zwischen den beiden Häusern entsteht. Dieser Raum wird jeweils mit dem zu
untersuchenden Dämmmaterial satt gefüllt. Der Boden ist ebenfalls mit einer
wenige Millimeter dicken Schicht des Dämmmaterials bedeckt.
In das Dach des kleineren Hauses klebt man den Fühler des Thermometers, genau
in den Giebel hinein.
Damit man über eine Wärmequelle verfügt und Aussagen über den Abfall der
Innentemperatur machen kann, bringe ich zunächst in einem Kocher Wasser zum
sieden. Unmittelbar nach dem Sieden wird das Einmachglas mit dem Wasser
gefüllt, mit dem Deckel verschlossen und in das kleine Haus gestellt. Das Haus
wird sofort mit dem kleinen Giebeldach verschlossen und das große Giebeldach
darüber gestülpt. Die Anfangstemperatur des Wasser ist aufgrund des vorherigen
Siedens knapp unter 100°C (geschätzt 95°C). Die Häuser stehen während des
Versuchverlaufes im Freien bei einer Umgebungstemperatur von +6°C bis 3°C
(Serie 1), +3°C bis 0°C (Serie 2) und +2,5°C. Es wird über einen Zeitraum von 3
Stunden im Abstand von 5 Minuten gemessen.
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Versuchsserie 1 am 31.01.2010 bei 6°C bis 3°C
Dämmmaterialien: Ungedämmt, Stroh, Sand
Durchführung:
Ungedämmt: Das Glas mit dem heißen Wasser wurde in das kleine Haus gestellt,
das in das Große gestellt wurde. Der Fühler des Thermometers wurde an der
Innenseite des Daches des kleinen Hauses befestigt. Beide Dächer wurden auf die
Häuser gesteckt.
Stroh: Das kleine Haus wurde zuerst auf eine Schicht Stroh gestellt. Danach wurde
um das kleine Haus herum Stroh gestopft. Das Glas mit dem heißen Wasser
wurde in das kleine Haus gestellt. Der Fühler des Thermometers wurde an der
Innenseite des kleinen Daches gesteckt. Beide Dächer wurden auf die Häuser
gesteckt.
Sand: Das kleine Haus wurde zuerst auf eine Schicht Vogelsand gestellt. Danach
wurde der Zwischenraum mit Vogelsand gefüllt. Das Glas mit dem heißen Wasser
wurde in das kleine Haus gestellt. Der Fühler des Thermometers wurde an der
Innenseite des kleinen Daches befestigt. Beide Dächer wurden auf die Häuser
gesteckt.
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Versuchsserie 2 am 31.01.2010 bei 3°C bis 0°C
Dämmmaterialien: Holz, Styropor, Lego
Holz: Als erstes wird eine Wand aus Holz in das große Haus gestellt. Danach wird
das kleine Haus in die Lücke gestellt. Das Glas mit dem heißen Wasser wird in das
kleine Haus gestellt. Der Fühler des Thermometers wurde an der Innerseite des
kleinen Daches befestigt. Das kleine Dach wurde auf die Holzwand gelegt. Das
große Dach wurde auf das große Haus gesteckt
Styropor: Das kleine Haus wurde auf eine Schicht Styroporkügelchen gestellt.
Danach wurde der Zwischenraum mit Styroporkügelchen gefüllt. Das Glas mit
dem heißen Wasser wurde in das kleine Haus gestellt. Der Fühler des
Thermometers wurde an der Innenseite des kleinen Hauses befestigt. Beide
Dächer wurden auf die Häuser gesteckt.
Lego: Als erstes wird ein kleines LEGO‐Haus ohne Dach in das große Haus gestellt.
Das Glas mit dem heißen Wasser wird in das LEGO‐Haus gelegt. Der Fühler des
Thermometers wird an der Innenseite des kleinen Daches befestigt. Das kleine
Dach wurde auf das LEGO‐Haus gestellt. Das große Dach wurde auf das große
Haus gesteckt.
Extra Versuch am 14.01.2010 bei 4°C bis 2°C
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Dämmmaterial: Gummibärchen
Zunächst werden einige Plastiktüten mit Gummibärchen gefüllt. Eine davon wird
auf den Boden des großen Hauses gelegt. Danach wird das kleine Haus darauf
gestellt und die seitlichen Bereiche mit den restlichen Tüten gefüllt. Das Glas mit
dem heißen Wasser wurde in das kleine Haus gestellt. Der Fühler des
Thermometers wurde an der Innenseite des kleinen Hauses befestigt. Beide
Dächer wurden auf die Häuser gesteckt.
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Allgemeine Infos zu den Dämmmaterialien
Meine Dämmmaterialien:
Stroh, Styropor und Holz sind gängige Dämmmaterialien, Vogelsand, LEGO und
Gummibärchen nicht.
Anmerkung:
Ich habe mir beim Aussuchen der Materialien überlegt, was es noch nicht als
Dämmmaterial gibt. Von Gummibärchen aus Zucker, die leicht zu beschaffen und
sehr günstig sind, habe ich als Dämmmaterial noch nie gehört und wollte das
einfach mal im Rahmen meiner Arbeit testen. Zudem könnten die Bauern ihre
Rübenproduktion für den Zucker steigern, sodass die deutschen Landwirte mehr
in die Wirtschaft eingebunden wären.
Stroh:
Stroh, der Name ist ein Sammelbegriff für ausgedroschene und anschließend
getrocknete Halme und Stängel von Getreide.
Wir kennen es als Futtermittel und Einstreu für Ställe als auch mit Lehm vermischt
in den Freiräumen von Holzrahmenbau, beim Fachwerkhaus. Man kann es in
handlich gepressten Strohballen erwerben und 10kg kosten etwa 16€.
Styropor / Polysterol:
Styropor ist ein thermoplastisch verarbeiteter Werkstoff. Das Material ist ganz
leicht, kann einfach verarbeitet werden und wird speziell als Dämmmaterial
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eingesetzt. Auch als sonstiges Verpackungsmaterial findet man oft Styropor. Eine
Platte davon kostet in der Größe 22 x 500 x 1000 mm ca. 17,50€.
Spanplatten / Holz:
Werden auch als Flachpressplatten bezeichnet. Sie bestehen aus Holzresten und
Durchforstungsholz. Die daraus entstandenen Späne werden mit Holzleim und
Zementmilch versetzt und dann gepresst. Eine Spanplatte mit den Maßen 2050 +
920mm kostet etwa 3€.
Vogelsand:
Besteht aus mineralischen Materialien, ist sehr kostengünstig und wird als
Einstreu für Vogelkäfige, bzw. Volieren benutzt, im häuslichen Bereich auch als
Scheuermittel. 2,5kg Vogelsand kosten etwa 0,90€.
Gummibärchen:
Sind eine besondere Form vom Weingummi, sie bestehen aus Zucker und
Gelatine, jeder kennt sie. Gummibärchen sind für ca. 1,30 € pro 200 Gramm zu
haben.
Zucker ist ein Sammelbegriff für Mono‐ und Polysaccharide. Bei meiner Recherche
habe ich erfahren, dass es über 20 Zuckersorten gibt, ich habe mich aus
Kostengründen für die Raffinade, den Kristallzucker entschieden. Inwiefern die
Erzeugung von Zucker einen Einfluss auf die Erderwärmung hat, konnte ich in
diesem Zusammenhang nicht nachweisen. Kristallzucker ist pro kg für ca. 0,70€ zu
erwerben.
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Versuchsauswertung
Man kann aus den Versuchsergebnissen herauslesen, dass die Temperatur in allen
Versuchshäusern abgesunken ist, allerdings mit unterschiedlicher
Geschwindigkeit und unterschiedlicher Endtemperatur. Die obere Kurve zeigt den
Abkühlungsverlauf der Häuser, d h. direkt die Messergebnisse. Zusätzlich zu der
Kurve für den Abkühlungsverlauf, wurde der Verlauf des Temperaturabfalls ab
5 min. ermittelt. Durch die Auswertung dieser Kurve soll der Einfluss des
Unterschieds der Temperaturen am Anfang relativiert werden.
Das ungedämmte Haus hat erstaunlicherweise keinen wesentlich anderen Verlauf
als die gedämmten Häuser. Es bleibt im Mittelfeld und hat am Ende auch eine
höhere Temperatur als das mit Sand oder Holz gedämmte Haus. Bei der
Betrachtung der Kurve des Temperaturabfalls ab 5 min. entspricht es eher den
Erwartungen und zeigt mit ca. 52 Grad nach dem Sand den zweithöchsten Wert.
Erstaunlich ist das Abschneiden der LEGO‐Dämmung. Eigentlich wurde aufgrund
des hohen Lufteinschlusses in den Legosteinen eine bessere Dämmung erwartet.
Es hatte eine Endtemperatur von 25,2°C, was etwa in der Mitte aller untersuchten
Dämmungen liegt und nur wenig höher liegt als das ungedämmte Haus. Bei der
Betrachtung der Kurve des Temperaturabfalls ab 5 min. ist das LEGO jedoch
genauso ‚gut’ wie das Styropor, d. h. zeigt einen vergleichsweise niedrigen
Temperaturabfall.
Das Holz hat eines der schlechtesten (niedrigsten) Endergebnisse gezeigt: 21,1°C
Endtemperatur. Bei der Betrachtung der Kurve des Temperaturabfalls ab 5 min.
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schneidet das Holz jedoch nicht so schlecht ab. Es ist nach 3 Stunden mit ca. 48
Grad genauso gut wie das Stroh, was bei der Abkühlkurve den zweithöchsten
Endwert hatte.
Der Vogelsand zeigte die schnellste und tiefste Abkühlung von allen Dämmungen.
Die Endtemperatur ist mit 19,6°C mehr als 10 Grad niedriger als die des
Styroporhauses. Auch bei der Temperaturabfallkurve ab 5 min. ist der Vogelsand
das schlechteste Material, d. h. zeigt mit ca. 56 °C den höchsten Wert.
Das Styropor ist der Gewinner der Versuchsreihe. Nach einer sehr hohen
Anfangstemperatur nach 5 Minuten von ca. 73°C hatte es eine Endtemperatur
von 30°C. Wahrscheinlich kommt das gute Ergebnis von der hohen
Lufteinschließung der Styroporkügelchen. Auch bei der Bewertung der
Temperaturabfallkurve ab 5 min. ist Styropor der beste Werkstoff, d. h. zeigt den
niedrigsten Wert. Styropor wird auch als normaler Dämmstoff benutzt. Das
Styropor hat die hohe Erwartung an seine Dämmwirkung erfüllt.
Stroh war in diesem Versuch eines der besseren Dämmmaterialen. Es ist leicht,
preiswert (vielen Dank an die Gärtnerei Schneider in Nauheim), sehr leicht zu
verarbeiten, ein natürliches Material und schließt ein hohes Luftvolumen
ein. Die Endtemperatur betrug 28,8°C.
Die Gummibärchen zeigten etwa den gleichen Verlauf wie Styropor, hatten nur
eine etwas niedrigere Anfangstemperatur. Zucker ist anscheinend kein schlechter
Isolator.
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Mögliche Erklärungen für die unerwarteten Ergebnisse:
a) Bei dem ungedämmten Haus könnte gerade der Luftspalt zwischen den Häuser
eine gute Isolierwirkung ausgeübt haben. Dies wird z. B. bei Doppelglasscheiben
ausgenutzt.
b) Das Giebeldach saß bei Holz und LEGO bautechnisch bedingt weniger tief bzw.
fest auf dem kleinen Haus, sodass der Luftabschluss am kleinen Haus
unterschiedlich war.
c) Die Umgebungsbedingungen für die beiden Versuchsserien waren leicht
unterschiedlich, was nicht zu beeinflussen war, jedoch nur einen geringen Einfluss
haben konnte.
Fazit: Mir ist klar geworden, dass die Wahl eines guten Dämmstoffes auf der
einen Seite die Behaglichkeit in einem Haus vergrößert, andererseits aber auch
bezahlt werden muss. Es ist jedoch absolut sinnvoll, sich mit den Möglichkeiten
zur Isolierung eines Hauses auseinander zu setzen, auch wenn das Dämmmaterial
auf einmal finanziert werden muss. Denn nach einer gewissen Zeit rentiert sich
eine Dämmung, da man so die Heizkosten spart.
Es war aufwändig, diesen Versuchsaufbau in der beschriebenen Form zu
gestalten, beim nächsten Mal werde ich das kleine Haus im Freien stehend
messen. Dann erwarte ich die schnellste Abkühlung im Vergleich zu den anderen
Häusern.
Es hat mir viel Spaß gemacht.
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Quellen
www.energiesparen‐im‐haushalt.de
www.abendblatt.de/ratgeber/wohnen/article663027/Altes‐Haus‐neu‐
daemmen.html
Polysterol: Wikipedia
modulator material total, www.modulator.de/shop
Zucker: Wikipedia
www.bedello.ch
www.aldi‐sued.de
Gummibärchen: Wikipedia
www.haribo.de
Spanplatte: Wikipedia
www.bausep.de
Vogelsand: Wikipedia
www.superpet‐online.de
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Abbildungen
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Tabelle und Diagramm mit Ergebnissen
Datum :14.01. 2010
Umgebungs-temperatur: 2,5°C
Dämmstoff:un‐
gedämmtStroh Sand Holz Styropor Lego
Gummi‐
bärchen
Zeit (min)
0 95 95 95 95 95 95 95
5 60,2 64,2 43 51 64,5 42,1 69
10 59,7 62,9 42,9 50,3 63,6 42 66,5
15 57,6 60,5 41,6 47,6 61,3 40,1 64,0
20 55,7 59 41,1 42 59,7 38,3 62,2
25 53,6 56,7 39,1 39,8 58 37,2 60,7
30 52 54,7 38,3 37,7 56,3 35,4 58,4
35 50,5 52,8 37 36,4 54,8 33,3 56,8
40 48,8 51,2 35,6 34,6 53,1 31,2 54,0
45 46,9 49,2 34,1 33 51,6 29 52,1
50 45,2 47,1 32,7 32 50,6 28,2 51,7
55 44,2 45,6 32,2 30,7 48,8 27,1 49,9
60 42,7 43,9 31,6 29,9 48,1 26,5 48,3
65 41,5 42 30 28,4 46,9 25 47,2
70 40,2 41 29,7 27,6 45,6 24,6 46,1
75 38,9 39,1 29 26,9 44,4 23,9 45,1
80 37,3 38,3 28 26 43,9 23,2 43,9
85 35,6 37,2 26,5 25,2 42,9 22,4 42,8
90 33,4 36 24,3 24,1 41,9 21,7 41,9
95 33 34,9 23,1 23,5 41,8 21 41,0
100 32,7 33,6 22,7 22,6 41 20,6 39,9
105 31,4 32,3 22 21,3 40,1 19,8 38,9
110 30,2 31,5 21,1 20,4 39,2 19,1 37,8
115 29,5 30,4 20,6 19,9 38,1 18,8 37,0
120 28 29,4 19,7 18,6 37,4 18,2 36,4
125 27,4 28,3 19,1 16,4 36,5 17 35,5
130 26,3 27,6 18,2 15,3 34,9 16,2 34,7
135 25,6 26,3 17,3 15 33,8 15,7 33,6
140 24,5 25,9 16,7 14,5 33 15 32,7
145 23,3 25 15,2 14 32 14,6 31,4
150 22,7 24,3 14,6 13,6 31,3 14 31,1
155 21,4 23,1 14 13 30,6 13,4 30,4
160 20,2 22,5 13,5 12,2 30 12,7 29,2
165 19,3 21,6 13,2 12,1 29,3 11,8 28,2
170 18,6 20,9 13 12 28,2 11,2 27,7
175 17,4 20 12,8 11,6 27,5 11 27,1
180 16 19,5 12,1 11,4 26,9 10,8 26,5
08.01.2010 09.01.2010
- 3,8 °C - 2,4 °C
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