Bauphysikalische Erläuterungen

(Auszug aus meiner Diplomarbeit 1982)


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

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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

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