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 (Kurzform für „effektive innere Wärmekapazität“ C_eff in [Wh/K] ) ist die gesamte Wärmespeicherfähigkeit in der Struktur eines Gebäudes, die von den Innenräumen her zugänglich ist. Das sind in der Regel die Kapazitäten aller innenliegenden Bauteile (z.B. Geschossdecken), sofern diese nicht z,B. durch Abhängungen abgekoppelt sind sowie der Teil der Außenbauteile, der sich „ungefähr“ auf Raumtemperatur befindet (es stellt sich heraus, dass das so in etwa die ersten 6 bis 12 cm eines Bauteils nach innen zu sind, sofern nicht bereits zuvor eine wirksame Abtrennung (z.B. Wandteppich) vorhanden ist). Genauer bestimmt werden kann C_eff durch eine Messung des dynamischen Gebäudeverhaltens oder ein thermisches Modell des Gebäudes inkl. Wärmeübergängen und einzelnen Bauteil-Wärmekapazitäten. Die innere Wärmekapazität (C) bildet zusammen mit dem Wärmeverlustwiderstand (R) nach außen ein sog. RC-Glied. Solche „Verzögerungsglieder“ bewirken, dass eine Wohnung nicht unmittelbar nach dem Abschalten einer Heizung auf Außentemperatur abkühlt, sondern erst allmählich entlang einer sogenannten Abklingkurve. Wielang es dauert, bis sich die Temperatur um einen spürbaren Betrag reduziert hat, wird durch die Zeitkonstante ( τ in [h]) ausgedrückt. Diese Zeitkonstante hängt gleichermaßen von der Dämmwirkung der Hülle (R) als auch der effektiven inneren Wärmekapazität (C_eff) ab; es gilt sogar τ = R⋅C_eff. Das ist einer der Gründe, warum „Speichern“ im Gebäude mit besserem Wärmeschutz immer wirksamer wird. Z.B. können in einem Passivhaus mehrere Tage bei immer noch vernünftigen Temperaturen auch beim Totalausfall der Heizung überbrückt werden . weil die Zeitkonstante so lang ist (wegen des im Passivhaus großen R).

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.

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.

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.

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.

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.

Günstig ist eine hohe Wärmekapazität dann, wenn im Winter die Heizung ausfallen sollte: Eine lange Zeitkonstante sorgt dann dafür, dass solche Phasen (z.B. bei Stromausfall) komfortabler überbrückt werden können. Da die Zeitkonstante auch durch die Dämmwirkung der Hüller verlängert wird, wirkt sich auch dies positiv auf die Sicherheit aus (die Zeitkonstante ist das Produkt aus der inneren Wärmekapazität mit dem Wärmedurchlasswiderstand des Gebäudes nach außen). Diese Tatsachen können auch zur besseren Nutzung der Erneuerbaren Stromerzeugung z.B. durch Windkraft beitragen: Die oft bei mehreren Tagen liegende Zeitkonstante eines Passivhauses erlaubt es, während Windflauten weitgehend auf den Betrieb einer elektrischen Heizung zu verzichten und so die Flauten besser zu meistern. Der geringe Wärmebedarf trägt weiter dazu bei: Notfalls kann ein Passivhaus eben auch mit ein paar Kerzen „geheizt“ werden, jedenfalls solange deren Vorrat ausreicht. Bei Altbauten und selbst den meisten Neubauten (bis 2022) kommt der Bewohner damit nicht weit.

Thermische Behaglichkeit
Wärmedämmen oder Wärme speichern?
Allgemeines zur Energiespeicherung (im Experten-Bereich der Passipedia)

[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. 2^nd ed., Passivhaus Institut, Darmstadt 2009. Available from the PHI website.