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Der Einfluss der inneren Wärmekapazität

Im Artikel Wärmedämmen oder Wärme speichern? wurde darauf hingewiesen, dass die gesamte (wirksame) innere Wärmekapazität eines Gebäudes durchaus einen Einfluss auf die Temperaturverläufe in den Räumen hat. Dieser Einfluss wird im vorliegenden Artikel behandelt.

Einflüsse von Größen, die sich wie die Wärmekapazität dynamisch auswirken, lassen sich nur bei instationären Prozessen beobachten und auch nur mit Methoden behandeln, die instationäre Vorgänge physikalisch korrekt berechnen. Ein validiertes Programm zur Behandlung thermisch instationärer Vorgänge in Gebäuden ist das Simulationsprogramm DYNBIL. Ein Vergleich zwischen Berechnungen mit DYNBIL und Messungen in Gebäuden ist in [AkkP-05] publiziert und auszugsweise im Artikel zur dynamischen Simulation dargestellt. Dort finden sich auch Hinweise darauf, wie mit solchen hochkomplexen Simulationsprogrammen zuverlässige Ergebnisse erzielt werden können. Das geht nur, wenn alle anderen Randbedingen und Einflussgrößen, deren Einflüsse nicht Gegenstand der jeweiligen Untersuchung sind, konstant gehalten werden; sie müssen außerdem realistische Betriebsbedingungen für das Gebäude darstellen. Letzteres setzt zugleich voraus, dass ein ganzes Gebäude, ein ganzer Jahresverlauf (ausgehend von einem „eingeschwungenen Zustand“) und ein einigermaßen realistisches Nutzerverhalten simuliert werden1). Ein solches Programm erlaubt es z.B., die Temperaturverläufe in einer sommerlichen Hitzeperiode für ein vorgegebenes Gebäudemodell zu simulieren. Ein Simulationsergebnis für einen Wohnraum in einem Reihenendhaus zeigt die folgende Abbildung.

Temperaturverlauf in einer Hitzeperiode in einem massiv gebauten
Passivhaus (Dachgeschoss, Südraum)

Entscheidend für die Behaglichkeit ist die sog. operative Temperatur, die in der Grafik als roter Verlauf dargestellt ist. Dies ist ein Mittelwert von Strahlungs- und Lufttemperatur. Durch den Luftaustausch in der Nacht sinken die Innentemperaturen regelmäßig auch in der Hitzeperiode auf Werte um 24 °C ab. Tagsüber wird das Reihenhaus allerdings insbesondere durch die Sonneneinstrahlung durch die Fenster erwärmt. Im dargestellten Basisfall gibt es keinen temporären Sonnenschutz, sondern nur die Verschattung durch die Fensterlaibung. Die innere Wärmekapazität des Gebäudes ist in der Lage, diese solare Last einzuspeichern. Je größer die wirksame innere Wärmekapazität ist, umso geringer ist die Temperaturzunahme, die mit diesem Speicherprozess verbunden ist.

Im hier dargestellten Fall beträgt die Temperaturzunahme zwischen kleinstem und höchstem Tageswert maximal 4 °C. Gut ist zu erkennen, dass es im Haus in der Hitzeperiode deutlich kühler bleibt als der Spitzenwert der Außentemperatur. Deutlich besser wird das Ergebnis übrigens, wenn ein Sonnenschutz an den Südfenstern verwendet wird - allerdings kann dann der Einfluss der internen Wärmekapazität nicht mehr so klar von allen anderen Effekten abgetrennt werden.

Um die im Folgenden dargestellten Ergebnisse zu gewinnen, wurden viele Jahressimulationen für verschiedene Wohngebäude mit jeweils kontrolliert veränderten Eigenschaften durchgeführt.

  • Im ersten Abschnitt wurde die innere Wärmekapazität verändert,
  • im zweiten Abschnitt die außen liegende Wärmedämmung.

Jeder „Punkt“ im jeweiligen Diagramm gehört zu einer durchgeführten Simulationsrechnung. Die hier dargestellten Simulationen verwendeten als Randbedingung die Wohnnutzung in mitteleuropäischem Klima. Ferner setzen wir in den Beispielen eine passive Kühlung voraus, wie sie unter diesen Bedingungen angemessen ist. Unter anderen Randbedingungen kann die Wirkung der inneren Wärmekapazität anders ausfallen: Z.B. ergibt sich bei Schulräumen durch die dort temporär sehr hohen inneren Lasten eine höhere Bedeutung der Wärmekapazität; die Bedeutung der Wärmedämmung bleibt jedoch erhalten (vgl. [AkkP-33] ). Auch in Südeuropa, bei höheren solaren Gewinnen und weniger Wärmedämmung, wird der Einfluss der Wärmekapazität auf den Heizwärmebedarf größer. Bei aktiver Kühlung und damit weitgehend gleichbleibenden Temperaturen im Sommer spielt die Wärmekapazität dagegen eine kleinere Rolle (vgl. [Schnieders 2009] ).

Die innere Wärmekapazität

Der Einfluss der inneren Wärmekapazität auf den Jahresheizwärmebedarf

Einfluss der inneren Wärmekapazität. Für diese Studie
wurden im Gebäude Schritt für Schritt zusätzliche massive
Innenwände eingebaut, im Maximum am Ende 175 m² (KS-
Vollsteinwand mit 24 cm Steindicke). Eine Massenzunahme
in diesem Umfang ist wirklich „massiv“, es würde 24 m
Wandlänge (2,5 m hoch) je Geschoss bedeuten.
(Quelle [Feist 1993] )

Dieses Diagramm zeigt, dass bei einem Passivhaus durchaus eine gewisse Heizwärmeeinsparung resultiert, wenn eine zusätzliche wirksame innere Speichermasse zugefügt wird. Der Einfluss ist allerdings gering - so gering, dass er praktisch kaum bemerkbar sein wird (-3.5%).

  • Warum ist der Einfluss so gering? Ein Passivhaus wird nur im Kernwinter beheizt. In dieser Zeit ist die Außentemperatur fast immer deutlich niedriger als die Innentemperatur und der solare Wärmegewinn ist meist sehr klein. Die innere Wärmekapazität kann daher nicht viel zur effizienteren Nutzung von Solarenergie beitragen - diese wird ohnehin nahezu zu 100% ausgenutzt.
  • Warum ist der Einfluss dann trotzdem so hoch? Es gibt bei diesem Gebäude tatsächlich einen gewissen jahreszeitlichen Speichereffekt: Das Haus kommt mit Temperaturen von 22 bis 23 °C vom Herbst in den Winter; das verzögert den Beginn des Heizbetriebes. Je mehr Wärmekapazität im Inneren verfügbar ist, desto ausgeprägter ist dieser Effekt.

Eine Erhöhung der Speicherkapazität wird häufig mit Änderungen der verwendeten Materialien verbunden sein. Dann kann eine höhere Speicherkapazität sogar eine Vergrößerung des Heizwärmebedarfs zur Folge haben. Der Grund sind Feuchteeffekte: Wenn ein Material mit höherer Wärmekapazität (etwa Beton) mehr Feuchtigkeit einspeichern kann, wird im Laufe der Heizperiode, bei relativ trockener Raumluft, auch mehr Feuchtigkeit daraus verdunsten. Dafür wird zusätzliche Energie benötigt, und zwar mehr, als durch die höhere Speicherkapazität eingespart wird.

Der Einfluss der inneren Wärmekapazität auf die Behaglichkeit im Sommer

Eine entscheidende Randbedingung für wirklichkeitsnahe Simulationsergebnisse ist, dass in diesem Gebäude im Sommer, immer wenn es sinnvoll ist, die Fenster gekippt werden. Der Einfluss der Fensteröffnung ist viel höher als der Einfluss der inneren Wärmekapazität. Dies erklärt, warum das PHI immer öffenbare Fenster (siehe "Darf man im Passivhaus die Fenster öffnen?") in jedem Raum eines Passivhauses empfiehlt.

In der folgenden Grafik sind dargestellt:

  • Die Häufigkeit von Übertemperaturen (linke Achse, rote Kurve) als Prozentsatz der Jahresstunden, in denen die operative Temperatur über 25 °C steigt. Das ist ein Maß für die „Unbehaglichkeit“, genauer, die Länge der Zeiträume, in denen es unbehaglich wird.
  • Der Jahresheizwärmebedarf (rechte Achse, grüne Kurve). Dieser ändert sich kaum messbar; das ist nicht neu, es bestätigt das bereits oben gewonnene Ergebnis.
Einfluss der inneren Wärmekapazität auf die Behaglichkeit eines Wohngebäudes
im Sommer (aus [Feist 1998] ). Für diese Studie wurden einem absoluten Leichtbau
(ringsum im Raum nur 6 mm Gipskartonplatten auf Leichtbau-Wände) nach und
nach dickere Gipsbauplatten (mehrschichtig) zugefügt.

Aus der Abbildung ist erkennbar, dass die Übertemperaturhäufigkeit deutlich abnimmt, wenn ausgehend von einer geringen inneren Wärmekapazität die vom Raum her zugängliche Speichermasse erhöht wird. Das hat die Simulation auch für passive Kühlung in anderen europäischen Klimata gezeigt. Die hier zitierte Sommerfallstudie hat im Übrigen ergeben, dass die Verbesserung der Behaglichkeit im Sommer unabhängig von der Lüftungsstrategie immer eintritt. Selbstverständlich ist das sommerliche Innenklima in einem gut zu lüftenden Raum besser als bei nur geringem Luftwechsel. Der Einfluss des Luftwechsels ist übrigens um ein Vielfaches bedeutender als der Einfluss der inneren Wärmekapazität - aber deren Einfluss ist immer vorhanden, und er ist immer positiv.

Hinweis für die Praxis: In das Sommerblatt des Passivhaus Projektierungs Paketes (PHPP) gehen alle Einflüsse auf die sommerliche Behaglichkeit ein. Mit diesem Instrument kann eine Optimierung bzgl. Sommerlüftung, Verschattung, innerer Wärmekapazität usw. erfolgen.

Die Wärmedämmung

Der Einfluss der Wärmedämmung der Gebäudehülle auf den Jahresheizwärmebedarf

Einfluss der Wärmedämmung der opaken Bauteile der Gebäudehülle (Dach, Außenwand und
Kellerdecke). Für diese Studie wurden auf die Außenhülle eine zusätzliche Dämmschicht
aufgebracht. Dargestellt ist der Heizwärmebedarf in Abhängigkeit von der gesamten mittle-
ren Dämmschichtdicke. Natürlich ist ein Wert von „80 cm“ für die Gesamtdicke nicht
praktikabel - die Simulation zeigt aber, welche Ergebnisse sich damit einstellen würden.
Hervorgehoben ist eine durchaus „realistische“ Dämmdickenzunahme um 16 cm von 22,5
auf 38,5 cm (das entspricht einem Dämmstoffvolumen, das nicht ganz so groß ist wie die
Mauersteinvolumenzunahme im ersten Beispiel. (Quelle [Feist 1993] ).

Das Diagramm zeigt, dass der Einfluss einer verbesserten Wärmedämmung auch beim Passivhaus noch sehr groß ist. Durch die hervorgehobene Dämmdickenzunahme wird eine Heizwärmeeinsparung von etwa 60% erreicht (von etwa 13 kWh/m²a auf nur noch 5 kWh/(m²a)).

  • Warum ist der Einfluss immer noch so hoch? Eine weit verbreitete Ansicht ist, dass eine „noch dickere“ Dämmung ausgehend von einer schon guten Dämmung nichts mehr bringe (weil nämlich andere Wärmeverluste dann überwiegen, an denen die Dämmung nichts ändert). Diese Ansicht ist falsch, wie die gezeigte Analyse belegt. Der Grund dafür ist, dass in einem Passivhaus tatsächlich immer noch bzw. wieder die Transmissionswärmeverluste die Energiebilanz dominieren - Lüftungswärmeverluste sind nämlich wegen der Wärmerückgewinnung sehr gering; und die Verluste der Fenster werden durch deren Solargewinne überkompensiert.
  • Warum empfehlen wir dann trotzdem nicht, noch besser zu dämmen? Es lohnt sich nicht, besser zu dämmen, als es für das Erreichen des Passivhaus-Standards erforderlich ist. Zwar spart eine dickere Dämmung immer weiter zusätzlich Heizwärme ein (sogar bis auf Null, wenn man nur dick genug dämmt). Aber: Eine Einsparung von 2007 kWh/a auf 791 kWh/a „bringt“ gerade einmal eine Kosteneinsparung von 100 €/a. Die Dämmung, die zuvor investiert wurde, um den Passivhaus-Standard zu erreichen, spart dagegen nicht nur Heizkosten, sondern reduziert auch noch den technischen Aufwand für die Gebäudetechnik.

Der Einfluss der Wärmedämmung auf die Behaglichkeit im Sommer

In der folgenden Grafik sind dargestellt:

  • Die Häufigkeit von Übertemperaturen (linke Achse, rote Kurve) als Prozentsatz der Jahresstunden, in denen die operative Temperatur über 25 °C steigt. Das ist ein Maß für die „Unbehaglichkeit“, genauer, die Länge der Zeiträume, in denen es unbehaglich wird.
  • Der Jahresheizwärmebedarf (rechte Achse, grüne Kurve). Dieser ändert sich nahezu linear mit dem U-Wert; das ist nicht neu, es bestätigt das Ergebnis aus dem letzten Abschnitt.
Einfluss der Wärmedämmung auf die Behaglichkeit eines Wohngebäudes im
Sommer (aus [Feist 1998] ). Für diese Studie wurde bei einem Massivbau der
mittlere U-Wert im Bereich zwischen Niedrigenergie- und Passivhaus variiert.

Das Diagramm lässt erkennen, dass es unter den gegebenen Randbedingungen (Wohnnutzung, gekippte Fenster wenn sinnvoll, Massivbau) nur sehr selten zu Temperaturen über 25 °C kommt (weniger als 44 h). Die Abhängigkeit von der Wärmedämmung der Gebäudehülle ist nicht stark ausgeprägt: In der Tendenz ist ein schlechter Wärmeschutz etwas ungünstiger als eine gute Dämmung.

Fazit

Die interne Speicherkapazität eines Wohngebäudes in mitteleuropäischem Klima hat einen nur geringen Einfluss auf den Jahresheizwärmebedarf. Sie wirkt allerdings ausgleichend auf Temperaturschwankungen und kann dadurch die Behaglichkeit auch im Winter verbessern. In jedem Fall ist es vorteilhaft für die Behaglichkeit im Sommer, die dem Raum zugängliche wirksame interne Wärmespeicherkapazität auf ausreichende Werte zu erhöhen.

Die innere Wärmekapazität ist allerdings nicht die bedeutendste Einflussgröße für die sommerliche Behaglichkeit:

  • Die Möglichkeiten für eine erhöhte Lüftung,
  • die Verschattung hoher solarer Einträge
  • und die Begrenzung der inneren Wärmelasten

sind wichtigere Einflussgrößen. Eine fehlende sommerliche Verschattung großer Verglasungen kann z.B. auch durch eine sehr große interne Speicherkapazität nicht ausgeglichen werden.

Siehe auch

Literatur

[AkkP-05] Energiebilanz und Temperaturverhalten; Protokollband Nr. 5 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser Phase II; Passivhaus Institut; Darmstadt 1997 (Link zur Publikationsliste des PHI)

[AkkP-33] Passivhaus-Schulen; Protokollband Nr. 33 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser Phase III; Passivhaus Institut; Darmstadt 2006 (Link zur Publikationsliste des PHI)

[Feist 1993] Feist, Wolfgang: Passivhäuser in Mitteleuropa; Dissertation, Universität Kassel, 1993

[Feist 1998a] Feist, Wolfgang: Passivhaus Sommerklima-Studie; Passivhaus Institut, Darmstadt 1998 (Link zur Publikationsliste des PHI)

[Schnieders 2009] Schnieders, Jürgen: Passive Houses in South West Europe — A quantitative investigation of some passive and active space conditioning techniques for highly energy efficient dwellings in the South West European region. 2nd ed., Passivhaus Institut, Darmstadt 2009. Available from the PHI website.

1)
Es mag überraschen, dass auch Randbedingungen bzgl. des Nutzerverhaltens in eine solche Simulation eingehen. Nichts anderes ist aber z.B. die Annahme, dass ein Gebäude im Winter auf mindestens 20°C beheizt wird. Aber diese Annahme allein reicht nicht: Wenn z.B. unter Bedingungen mit hoher solare Einstrahlung im Gebäude bei „unbeeinflusstem Betrieb“ Temperaturen von 25 °C (und mehr) bestehen würden, so wird jeder Nutzer versuchen, die Behaglichkeit z.B. durch Fensteröffnen zu verbessern.
Im Standarddatensatz unserer Simulationen gehen wir sogar davon aus, dass die Nutzer schon bei Temperaturen, die 1 °C über dem Sollwert liegen, anfangen, die Fenster zu kippen. Das hat sogar Einfluss auf den Verbrauch an Heizwärme: Würde man zulassen, dass sich ein Gebäude im Sommer beliebig erwärmt, so wird zum Herbst hin mehr eingespeicherte Sonnenwärme in die Heizperiode übertragen.
Fazit: Auch wenn man ein sehr gutes Programm für eine Simulation verwendet, so muss man sich trotzdem einige Gedanken machen über eine sachgerechte Auswahl der Randbedingungen.
grundlagen/der_einfluss_der_inneren_waermekapazitaet.txt · Zuletzt geändert: 2018/11/01 10:02 von cblagojevic