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--- baulich:details_der_messung_der_wand-querschnitts-temperaturen [2024/05/06 11:42] – [(2) Vorgänge an der Außenoberfläche] wfeist
+++ baulich:details_der_messung_der_wand-querschnitts-temperaturen [2024/05/06 11:50] (aktuell) – [(4) Wie groß ist der Einfluss der Wärmekapazität?] wfeist
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 =====(2) Vorgänge an der Außenoberfläche=====
 Die Kurve mit dem blauen Quadrat ist die Temperaturentwicklung an der äußeren Oberfläche - also auf dem Außenputz. //Das erste//, was hier unmittelbar auffällt, sind die beiden //Temperaturspitzen// gegen 13:30 am 12. Oktober und 12:30 am Folgetag (Zeitangaben hier in UTC universal time, d.h. Sonnenzeit -2,5 h; es ist somit am 12. Oktober um ca. 16:00 örtliche Sonnenzeit). Die Erklärung ist hier unmittelbar einleuchtend: an diesen Tagen schien die Sonne und die Westwand bekam am Nachmittag ordentlich solare Einstrahlung ab. Es ist übrigens diese Absorption an Oberflächen, die letztlich auch zur Erwärmung der Außenluft im Verlauf des Tages führt (Grüne Kurve). Die an der Oberfläche aufgenommene Strahlungsenergie wird tatsächlich überwiegend von der Oberfläche, die nun merklich wärmer ist als die Außenluft, nach außen an die Luft und durch thermische Abstrahlung in den Himmel wieder abgegeben. Ein kleinerer Teil ist aber Wärmeverlust-reduzierend wirksam: Die Temperaturdifferenz zwischen innen und außen wird nämlich auf diesem Weg reduziert. Das wird sogar im Diagramm unmittelbar erkennbar: Auch die Temperatur weiter innen in der Dämmschicht steigt nämlich, zeitverzögert, an: mit einem Maximum von über 17 °C kurz nach 16:00 (UTC, am 12.10.). Soweit war das auch intuitiv 'einfach' und auch die Simulation trifft diese Vorgänge alle mit hoher Genauigkeit((Die Hintergründe behandeln wir im Grundlagenkurs Bauphysik etwas eingehender: [[grundlagen:sonne:indirekte_waermezufuhr|]])).\\ \\
-//Überraschend// ist aber auf den ersten Blick, dass zwischen 00:00 und 10:45 und auch wieder ab 16:00 UTC die Temperatur der Außenoberfläche (blau) **//niedriger//** ist als die Außenlufttemperatur! Kann das überhaupt sein oder sind das Messfehler? Das kann (und muss sogar) so sein, diese Abkühlung rührt von der Wärmestrahlungsbilanz der Oberfläche her: Nach den Wärmstrahlungsgesetzen strahlt sie Wärme ab, als Planck'scher Strahler gemäß ihrer Temperatur((und mit einem Emissionsvermögen von rund 93%)). Sie nimmt auch Wärmestrahlung auf, nämlich die, die von der Umgebung (ähnlich warm) und aus der Atmosphäre kommt - letztere kommt aber weit überwiegend aus höheren Schichten der Luft, insbesondere von CO<sub>2</sub>- und Wassermolekülen dort; dort sind die Temperaturen deutlich geringer und dementsprechend ergibt sich hierdurch ein Netto-Wärmestrahlungsverlust. Im Endeffekt wird die Oberfläche hier kälter als die Umgebungsluft, im Oktober bereits über die meiste Zeit des Tages. Dieser Verlust hält über lange Zeiträume an und in der Summe übersteigt er (an diesen Tagen, aber auch generell in der kalten Jahreszeit) die nur kurzzeitig auftretenden passive solaren Gewinne.\\ \\
+//Überraschend// ist aber auf den ersten Blick, dass zwischen 00:00 und 10:45 und auch wieder ab 16:00 UTC die Temperatur der Außenoberfläche (blau) **//niedriger//** ist als die Außenlufttemperatur! Kann das überhaupt sein oder sind das Messfehler? Das kann (und muss sogar) so sein, diese Abkühlung rührt von der Wärmestrahlungsbilanz der Oberfläche her: Nach den Wärmestrahlungsgesetzen strahlt sie Wärme ab, als Planck'scher Strahler gemäß ihrer Temperatur((und mit einem Emissionsvermögen von rund 93%)). Sie nimmt auch Wärmestrahlung auf, nämlich die, die von der Umgebung (ähnlich warm) und aus der Atmosphäre kommt - letztere kommt aber weit überwiegend aus höheren Schichten der Luft, insbesondere von CO<sub>2</sub>- und Wassermolekülen dort; dort sind die Temperaturen deutlich geringer und dementsprechend ergibt sich hierdurch ein Netto-Wärmestrahlungsverlust. Im Endeffekt wird die Oberfläche hier kälter als die Umgebungsluft, im Oktober bereits über die meiste Zeit des Tages. Dieser Verlust hält über lange Zeiträume an und in der Summe übersteigt er (an diesen Tagen, aber auch generell in der kalten Jahreszeit) die nur kurzzeitig auftretenden passive solaren Gewinne.\\ \\
 Auch das ist alles in ausgezeichneter Übereinstimmung mit der bauphysikalischen Theorie.\\ \\
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 Die gemauerte Wand aus KS-Vollsteinen (24 cm) hat eine hohe Wärmekapazität, bei einer Rohdichte von 1800 kg/m³ und einer spezifischen Wärmekapazität von 0,94 kJ/kg/K ergeben sich rund 112 Wh/(Km²); die meisten heute verbauten Außenbauteile haben ein niedrigeres Wärmespeichervermögen((ob es sich um Holz-Leichtbauteile oder um porosiertes Mauerwerk handelt, beides hat erheblich höhere Luftanteile)). Die Wärmekapazität dämpft die Amplitude des täglichen Temperaturgangs. In unserem Fall sind das rund 0,9 K an einem klaren Tag mit Solareinstrahlung.
-Nun wissen wir schon aus der Betrachtung unter [[:baulich:waermschutz_nachrechnen| "wirkt der Wärmeschutz?"]], dass dieser Tagestemperaturgang der Innenseite NICHT durch die wechselnden Temperaturen auf der Außenoberfläche des Bauteils zurückzuführen ist; selbst dann nicht, wenn das Bauteil praktisch keine Wärmekapazitäten hätte. Das quantifizieren wir hier noch einmal.\\ \\ //Ohne Wärmekapazitäten// würde sich das Bauteil jeweils sofort auf die zu einer neuen Außenoberflächen-Temperatur zugehörige Gleichgewichts-Innentemperatur einstellen: Diese ergibt sich aus dem Verhältnis des inneren Wärmeübergangswiderstandes zum Wärmedurchlasswiderstand bis zur Außenoberfläche. Beide Werte kennen wir aus dem stationären Fall, sie betragen $R_{si}=$ 0,16 m²K/W und $R_{A}=$ 7,49 m²K/W; d.h., die Temperatur-Schwankung((gegeben z.B. als Amplitude)) auf der Innenoberfläche beträgt für den absoluten Leichtbau-Fall 2,12% der äußeren Amplitude((Das ist bereits ein sehr kleiner Wert)). Da am 12. Oktober die minimale Außenoberflächentemperatur -4,1 °C beträgt, die maximale 19,6 °C (unter voller Solarlast), beträgt die Amplitude auf der Außenseite immerhin fast 12 K. Auf der Innenoberfläche würden wir davon rund 0,25 K wahrnehmen((eben die 2,12% davon)): Das ist ein für Personen kaum wahrnehmbarer Unterschied. Dieser Wert 0,25 K ist erheblich geringer ist als die oben dokumentierte gemessene Amplitude von rund  0,9 K. Die Ursache für //diese// Schwankung muss eine andere sein, und wir wissen auch schon, dass es die im Tagesverlauf stark schwankende von innen auf die Oberfläche zugeführte Strahlungswärme ist.\\ \\
+Nun wissen wir schon aus der Betrachtung unter [[:baulich:waermschutz_nachrechnen| "wirkt der Wärmeschutz?"]], dass ein so hoher Tagestemperaturgang der Innenseite NICHT durch die wechselnden Temperaturen auf der Außenoberfläche des Bauteils zurückzuführen ist; selbst dann nicht, wenn das Bauteil praktisch keine Wärmekapazitäten hätte. Das quantifizieren wir hier noch einmal.\\ \\ //Ohne Wärmekapazitäten// würde sich das Bauteil jeweils sofort auf die zu einer neuen Außenoberflächen-Temperatur zugehörige Gleichgewichts-Innentemperatur einstellen: Diese ergibt sich aus dem Verhältnis des inneren Wärmeübergangswiderstandes zum Wärmedurchlasswiderstand bis zur Außenoberfläche. Beide Werte kennen wir aus dem stationären Fall, sie betragen $R_{si}=$ 0,16 m²K/W und $R_{A}=$ 7,49 m²K/W; d.h., die Temperatur-Schwankung((gegeben z.B. als Amplitude)) auf der Innenoberfläche beträgt für den absoluten Leichtbau-Fall 2,12% der äußeren Amplitude((Das ist bereits ein sehr kleiner Wert)). Da am 12. Oktober die minimale Außenoberflächentemperatur -4,1 °C beträgt, die maximale 19,6 °C (unter voller Solarlast), beträgt die Amplitude auf der Außenseite immerhin fast 12 K. Auf der Innenoberfläche würden wir davon rund 0,25 K wahrnehmen((eben die 2,12% davon)): Das ist ein für Personen kaum wahrnehmbarer Unterschied. Dieser Wert 0,25 K ist erheblich geringer ist als die oben dokumentierte gemessene Amplitude von rund  0,9 K. Die entscheidende Ursache für //diese// Schwankung muss eine andere sein, und wir wissen auch schon, dass es die im Tagesverlauf stark schwankende von innen auf die Oberfläche zugeführte Strahlungswärme ist.\\ \\
 Auch das können wir mit den Messdaten nun quantifizieren: Die Zunahme an thermischer Energie in der gemauerten Wand beträgt am sonnigen 12. Oktober insgesamt 91,1 Wh; diese Zustrahlung findet zwischen 5:30 (UTC) und 16:30 statt, das sind 11 Stunden((Diese beiden Angaben können aus dem gemessenen Temperaturverlauf der in der Mauersteinwand eingelassenen Temperatursensoren abgelesen werden. Für die gespeicherte Wärme brauchen wir dann noch die Wärmekapazität der Wandschichten, die wir oben zu in der Gesamtsumme 112 Wh/(Km²) angegeben hatten; dieser Wert ist unstrittig.)). Die mittlere zugestrahlte Leistung beträgt daher durchschnittlich rund 8,8 W/m² Bauteiloberfläche; bei den gegebenen Gesamtoberflächen im Raum sind das immerhin rund +680 Watt freie Wärmezufuhr über diesen Zeitraum. Kann das stimmen? Wir wissen, dass die Verglasungsfläche in diesem Raum 4,41 m² beträgt; bei einem g-Wert von rund 0,5 und einem Minderungsfaktor (Verschattung, Einfallswinkel, Schmutz) von 0,55 ergeben sich an einem klaren Oktobertag rund 580 Watt durchschnittlicher Solareintrag in diesen Raum. Das sind rund 100 Watt weniger als die eben grob ermittelte Zunahme der thermischen Energie: Das kann tatsächlich in etwa der Wert der im Raum freigesetzten internen Wärmequellen sein, wenn sich im Arbeitszimmer in diesem Zeitraum überwiegend eine Person aufgehalten hat((natürlich liegt die Genauigkeit dieser Überschlagsrechnung hierbei in einem solchen Bereich von ±100 Watt)).\\ \\
 //Kommen wir zurück auf die Wirkung der Wärmekapazität//: die ist, zusammen mit den Kapazitäten der anderen Bauteile, die an diesen Raum grenzen, bereit, Strahlung und andere unregelmäßig anfallenden Wärmequellen in diesem Raum aufzunehmen und zu einem späteren Zeitpunkt wieder abzugeben. Das hat im konkreten Fall zu einer Temperaturamplitude an der inneren Oberfläche von etwa 0,9 K geführt - ein noch akzeptabler Wert, was die Veränderungen im Behaglichkeitsfeld angeht. Wenn statt des schweren Vollsteins nun für die gleiche Mauersteinwand ein porosiertes Material verwendet worden wäre, dann würde sich die verfügbare Wärmekapazität etwas reduzieren. Die Temperaturamplitude, die durch die passiv solare Energiezufuhr verursacht wird, würde sich dadurch erhöhen: Wir haben das im Gesamtmodell simuliert und kommen dann auf einen neuen Wert der Temperaturamplitude an der Innenoberfläche dieser Wand von etwa 1,6 K. Diese Schwankung ist spürbar höher als in der tatsächlich vorliegenden Situation und dann von den Bewohnern bereits deutlich wahrnehmbar: Allerdings liegt der überwiegende Teil der Wärmekapazitäten in diesem Raum bei den Innenbauteilen - das dämpft den Effekt auf die wahrnehmbare operative Temperatur, zu der eine einzelne Oberfläche nur in ihrem jeweiligen Sichtbarkeitsverhältnis beiträgt; das liegt hier bei nur einem Fünftel für den Arbeitsplatz. Dadurch wird auch diese Auswirkung am Ende wieder weitgehend unbedeutend.\\ \\