Wärmespeicherung,
Teil
I:
|
Inhaltsverzeichnis:
1.0
Wärmespeicherung
1.1 Bedeutung der Wärmespeicherung
für Raumklima und Energieeinsparung
1.2
Wärmespeicherung innenliegender Bauteile
1.2.1 Stoffkriterien
für die Wärmespeicherwirkung
1.2.1.1 Spezifische Wärme
c
1.2.1.2 Wärmespeicherzahl
S
1.2.2 Wärmeaustausch
zwischen Raumluft und Bauteil
1.2.2.1 Temperaturdifferenz
und zeitlicher Schwankungsverlauf
1.2.2.3 Wärmeübergangszahl
a
1.2.4
Raumdecken, Dachdecken
1.2.5 Innenwände
1.3 Außenbauteile
1.3.1 Durchgang äußerer
Temperaturschwankungen durch Außenbauteile
1.3.2 Grundlagen zur Bemessung von
Außenwänden und Dachdecken
1.3.2.1
Phasenverschiebung F
1.3.2.2
Temperatur-Amplitudendämpfung Q
1.3.3
Konstruktionsvergleiche
1.3.4 Außenwände
1.4 Auswirkung der Wärmespeicherung im Winter
|
1.0 Wärmespeicherung
1.1
Bedeutung der Wärmespeicherung für Raumklima und Energieeinsparung
In
der Baukonstruktion kann man zwischen gewichtsmäßig leichten
und schweren Konstruktionen unterscheiden. Leichte Konstruktionen verhalten
sich gesamtwärmetechnisch und bauphysikalisch gesehen anders als
schwere Konstruktionen, wie später noch zu sehen sein wird. Wärmeschutz
ist nicht nur Wärmedämmung, und ein gutes Raumklima ist durch
Wärmedämmung allein nicht zu erzielen. Das in Aufenthalts- und
Arbeitsräumen physiologisch-hygienisch erforderliche Raumklima wird
mit dem Begriff Behaglichkeit umschrieben. (Luftqualität, -feuchtigkeit,
-druck, -bewegung, -temperatur, -ionisation, Temperatur der Außenwände,
Wärmestrahlung, Licht, Schwebestoffe in der Luft sind die wesentlichen
Parameter für die Behaglichkeit) Gleichbleibende Werte führen
zur Behaglichkeit. Die wichtigste Forderung ist es daher, gleichmäßige
Bedingungen für die Wärmeabgabe des menschlichen Körpers,
d.h. möglichst gleichmäßige Raumtemperaturen und möglichst
geringe Temperaturunterschiede zwischen Raumluft und Umschließungsflächen
herzustellen.
Im Winter wird in der Regel ein gleichbleibendes Raumklima durch die Steuerung
einer gut eingestellten Heizungsanlage erreicht. Im Sommer dagegen, wo
starke Schwankungen der Raumlufttemperatur das Mikroklima im Tagesverlauf
wesentlich bestimmen, ist die Wärmespeicherung der Umschließungsflächen
von besonderer Bedeutung.
Unter
der Wärmespeicherung von Bauteilen versteht man deren Eigenschaft
bei Lufttemperaturzunahme infolge Wärmestrahlung Wärmeenergie
aufzunehmen und sie bei Lufttemperaturabnahme wieder abzugeben. Es ist
zu unterscheiden zwischen der dämpfenden und verzögernden Wirkung
auf Temperaturschwankungen im Raum (Wärmespeicherung der inneren
Raumumgrenzung einschließlich Raumausstattung) und der dämpfenden
und verzögernden Wirkung auf den Wärmedurchgang durch Außenbauteile
bei Außentemperaturschwankungen und Sonneneinstrahlung ("Temperatur-Amplitudendämpfung
und Phasenverschiebung")
Die
Speicherfähigkeit wird im wesentlichen durch die Baustoffdichte bestimmt,
sie wird also mit steigendem Gewicht größer. Da die Aufnahme
und Abgabe von Wärmeenergie in Wechselwirkung zur Umgebungstemperatur
erfolgt, wirken wärmespeichernde Baustoffe ausgleichend auf Schwankungen
der Raumtemperatur.
Für
Sommer- und Übergangszeiten sind wärmespeichernde Bauteile neben
einem optimalen Sonnenschutz und einer wirksamen Fensterlüftung eine
bautechnische Maßnahme zur Vermeidung hoher Wärmebelastungen
im Raum und erhöhen die Behaglichkeit, wie oben beschrieben.
1.2
Wärmespeicherung innenliegender Bauteile
Die
Wärmespeicherung von innenliegenden Bauteilen dämpft Temperaturschwankungen
im Raum. Zur Wärmespeicherung der inneren Raumungrenzung kommt die
von Einbauten und Ausstattung sowie die von Außenbauteilen hinzu,
soweit deren Speicherkapazität nicht bereits durch die Wärmebelastung
von außen (Sonnneinstrahlung) ausgelastet ist.
1.2.1 Stoffkriterien für die Wärmespeicherwirkung
Anforderungen
an die Wärmespeicherfähigkeit können über die Angabe
von Mindestgewichten der Bauteile gestellt werden. Diese vereinfachte
Form der Erfassung wird durch mehrere bauphysikalische Zusammenhänge
ermöglicht, die hier kurz erläutert und durch praktische Hinweise
ergänzt werden sollen.
1.2.1.1 Spezifische Wärme c
Die
zur Erwärmung einer Stoffmasse um 1 Kelvin erforderliche Wärmeenergie,
d.h. die Wärmemenge, die eine bestimmte Stoffmasse pro Kelvin aufnehmen
kann, ist die spezifische Wärme (spezifische Wärmekapazität)
c in Wh/kg (Wärmemenge je kg Stoffmasse und je Kelvin Temperaturdifferenz).
Sie liegt bei festen Baustoffen in einem vergleichsweise engen Bereich
und kann aufgrund der Unterschiede in der Stoffstruktur in 3 Baustoffgruppen
- metallische, mineralische und organische - zusammengefaßt
werden.
1.2.1.2 Wärmespeicherzahl
S
Baustoffe
haben eine unterschiedliche Dichte r
(kg/m³).
Die massenbezogene Kennzahl c ist für ein Baustoffvolumen
noch nicht aussagefähig. Zur Erfassung der Wärmeaufnahme von
Bauteilen dient daher die volumenbezogene Wärmespeicherzahl S.
S = c x r
in
Wh/m³ x K (Wärmemenge je m³ in Baustoffvolumen und je Kelvin
Temperaturdifferenz).
Aus
Abb. 27 erkennt man die extrem niedrige volumenbezogene Speicherfähigkeit
von Luft gegenüber festen und flüssigen Stoffen. Reziprok zu
dieser geringen Speicherfähigkeit verhält sich die Temperaturzunahme
bei bestimmter Wärmezufuhr:
Grundformel
des Wärmespeichervorgangs:
Q
= c x r
x
V x DT
(Wh)
gebildet
aus: S = c x r
(Wh/m³K)
S = Q /V x DT
(Wh/m³K)
DT
= Q/ V
x S
(K)
Formelzeichen: |
Einheit: |
Q
= Wärmemenge |
in
Wh |
C
= spezifische Wärme |
in
Wh/kg x K |
r
=
Rohdichte |
in
kg/m³ |
V
= Volumen |
in
m³ |
DT
= Temperaturdifferenz |
in
K |
S
= Wärmespeicherzahl |
in
Wh/m³K |
Beispielsweise
würde sich 1 m³ Luft bei einer Wärmezufuhr von 100 Wh bereits
um
DTLuft = Q/ rL
x cL x V = 100/ 1,293 x 0,27 x 1
= 286 K
(rL
= Rohdichte der Luft)
dagegen würde sich 1 m³ Beton nur um
DTBeton
= Q/ rB
x cB x V = 100/ 2400 x 0,28 x 1
= 0,2 K erwärmen.
(rB
= Rohdichte von Beton)
Hieraus
wird ersichtlich, wie stark wärmespeichernde Stoffe im Medium Luft
dessen Temperaturschwankungen dämpfen.
Aus
dem Zusammenhang der volumenbezogenen Speicherzahl S mit der Baustoffdichte
r
(S = c x r)
ergibt sich die direkte Abhängigkeit der Speicherfähigkeit vom
Gewicht der Baustoffe, d.h. "schwere" Bauteile können gegenüber
"leichten" grundsätzlich mehr Wärme speichern. Zu
beachten bleibt jedoch, daß die spezifische Wärme organischer
Stoffe, z.B. von Holz, strukturbedingt mit c ~ O,58 doppelt so hoch ist
wie die von Beton mit c ~ O,28 (Wh/kgK); d.h. 1 kg Holz speichert doppelt
soviel Wärme wie 1 kg Beton.
Abb.
27
|
Stoffe,
bei mittlerer Dichte
|
Dichte
r
kg/m³
|
c
Wh/kg K
|
S
Wh/m³ K
|
1
|
Luft (1,293 kg/m³ bei 0°C; 1 bar) |
1,3
|
0,27
|
0,35
|
2
|
Polystyrol
|
30
|
0,41
|
12
|
3
|
Glaswolle |
50
|
0,23
|
12
|
4
|
Schlackenwolle
|
200
|
0,23
|
45
|
5
|
Korkstein,expandiert |
200
|
0,52
|
105
|
6
|
Holzfaserplatten |
200
|
0,58
|
115
|
7
|
Torfplatten
|
300
|
0,52
|
155
|
8
|
Schlacke
|
1000
|
0,23
|
230
|
9
|
Gipskartonplatten
|
900
|
0,30
|
270
|
10
|
Leichtbeton |
1000
|
0,28
|
280
|
11
|
Gips
|
970
|
0,30
|
290
|
12
|
Holz
(Fichte) |
600
|
0,58
|
350
|
13
|
Ziegelmauerwerk
|
1400
|
0,26
|
360
|
14
|
Gummi
|
920
|
0,39
|
360
|
15
|
Sand
|
1800
|
0,23
|
410
|
16
|
Blei
|
11340
|
0,036
|
410
|
17
|
Holz
(Eiche) |
800
|
0,58
|
465
|
18
|
Eis
(0°C) |
917
|
0,53
|
485
|
19
|
Kalkmörtel
|
1800
|
0,28
|
505
|
20
|
Bitumen |
1100
|
0,47
|
515
|
21
|
Steinzeug, Keramik |
2000
|
0,26
|
520
|
22
|
Asphalt |
2000
|
0,26
|
520
|
23
|
Zementmörtel |
2000
|
0,28
|
560
|
24
|
Fensterglas |
2500
|
0,23
|
575
|
25
|
Beton |
2400
|
0,28
|
670
|
26
|
Aluminium
|
2700
|
0,25
|
675
|
27
|
Asphaltestrich |
2300
|
0,30
|
690
|
28
|
dichte Natursteine |
2800
|
0,25
|
700
|
29
|
Zink |
7130
|
0,11
|
785
|
30
|
Kupfer, unrein |
8300
|
0,12
|
995
|
31
|
Stahl |
7800
|
0,13
|
1015
|
32
|
Gußeisen |
7200
|
0,15
|
1080
|
33
|
Wasser
bei +20°C |
998,2
|
1,163
|
1160
|
Abb.
28
Wärmeaufnahme
S (Speicherung) in Wh pro m³ bis zur Temperaturzunahme um 1 K
Luft: |
0,35
|
Styropor: |
12
|
Holz,
Fichte: |
350
|
Beton: |
670
|
Spezifische
Wärme c und Wärmespeicherzahl S nach Eichler;
Grigull.
Abb.
29
Orientierungswerte
für die spezifische Wärmekapazität
Metallische
Stoffe |
(harte
Nichtmetalle ohne Aluminium): |
c
~ 0,12 |
Mineralische
Stoffe |
(z.B.
Beton): |
c
~ 0,28 |
Organische
Stoffe |
(z.B.
Holz): |
c
~ 0,58 |
____________________________________________
Auszug aus meiner Diplomarbeit
Technische Universität Berlin (TUB)
IAIP, Fachgebiet Klimagrechtes Bauen
Prof. Dipl.-Ing. Hasso Schreck, Fachbereich 21
Berlin im Aril 1982
überarbeitet im Juni 2000
Dipl.-Ing.
Klaus Roggel
Architekt
zürück
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