Thermische Masse - Thermal mass

Der Vorteil der thermischen Masse wird in diesem Vergleich gezeigt, wie sich schwere und leichte Konstruktionen auf die Innentemperatur auswirken

In der Gebäudeplanung ist die thermische Masse eine Eigenschaft der Masse eines Gebäudes, die es ermöglicht, Wärme zu speichern und "Trägheit" gegenüber Temperaturschwankungen zu bieten. Es wird manchmal als thermischer Schwungradeffekt bezeichnet . Wenn beispielsweise die Außentemperatur im Laufe des Tages schwankt, kann eine große thermische Masse innerhalb des isolierten Teils eines Hauses dazu dienen, die täglichen Temperaturschwankungen „abzuflachen“, da die thermische Masse Wärmeenergie absorbiert, wenn die Umgebungstemperatur höher ist als die Masse und geben Wärmeenergie zurück, wenn die Umgebung kühler ist, ohne ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen . Dies unterscheidet sich vom Isolierwert eines Materials , das die Wärmeleitfähigkeit eines Gebäudes verringert , es ermöglicht, relativ getrennt von außen zu heizen oder zu kühlen oder sogar die Wärmeenergie der Bewohner länger zu speichern.

Wissenschaftlich gesehen ist thermische Masse äquivalent zur thermischen Kapazität oder Wärmekapazität , der Fähigkeit eines Körpers, thermische Energie zu speichern . Es wird typischerweise mit dem Symbol C _{th bezeichnet} und seine SI-Einheit ist J/°C oder J/K (was äquivalent ist). Thermische Masse kann auch für Gewässer, Maschinen oder Maschinenteile, Lebewesen oder andere Strukturen oder Körper in der Technik oder Biologie verwendet werden. In diesen Zusammenhängen wird stattdessen typischerweise der Begriff "Wärmekapazität" verwendet.

Hintergrund

Die Gleichung, die thermische Energie zu thermischer Masse in Beziehung setzt, lautet:

${\displaystyle Q=C_{\mathrm {th}}\Delta T\,}$

Dabei ist Q die übertragene Wärmeenergie, C _th die thermische Masse des Körpers und Δ T die Temperaturänderung.

Wenn beispielsweise einem Kupferzahnrad mit einer thermischen Masse von 38,46 J/°C 250 J Wärmeenergie zugeführt werden, steigt seine Temperatur um 6,50 °C. Besteht der Körper aus einem homogenen Material mit hinreichend bekannten physikalischen Eigenschaften, so ist die thermische Masse einfach die Masse des vorhandenen Materials mal der spezifischen Wärmekapazität dieses Materials. Bei Körpern aus vielen Materialien kann die Summe der Wärmekapazitäten ihrer reinen Bestandteile zur Berechnung herangezogen werden, oder in einigen Fällen (wie z. direkt.

Als umfangreiche Eigenschaft ist die Wärmekapazität charakteristisch für ein Objekt; seine entsprechende intensive Eigenschaft ist die spezifische Wärmekapazität, ausgedrückt als Maß für die Materialmenge wie Masse oder Anzahl der Mole, die mit ähnlichen Einheiten multipliziert werden muss, um die Wärmekapazität des gesamten Materialkörpers zu ergeben. Somit kann die Wärmekapazität äquivalent als Produkt aus der Masse m des Körpers und der spezifischen Wärmekapazität c für das Material oder dem Produkt aus der Molzahl vorhandener Moleküle n und der molaren spezifischen Wärmekapazität berechnet werden . Für eine Diskussion darüber, warum die Speicherfähigkeiten von reinen Stoffen für thermische Energie variieren, siehe Faktoren, die die spezifische Wärmekapazität beeinflussen . ${\displaystyle {\bar {c}}}$

Für einen Körper einheitlicher Zusammensetzung kann angenähert werden durch ${\displaystyle C_{th}}$

${\displaystyle C_{th}=mc_{p}}$

wo ist die Masse des Körpers und ist die isobare spezifische Wärmekapazität des Materials, gemittelt über den fraglichen Temperaturbereich. Bei Körpern aus zahlreichen unterschiedlichen Materialien können die thermischen Massen der verschiedenen Komponenten einfach addiert werden. ${\displaystyle m}$${\displaystyle c_{p}}$

Thermische Masse in Gebäuden

Überall, wo solche täglichen Temperaturschwankungen auftreten – sowohl im Winter als auch im Sommer – trägt thermische Masse zur Verbesserung des Gebäudekomforts bei. Bei guter Nutzung und in Kombination mit passivem Solardesign kann thermische Masse eine wichtige Rolle bei der erheblichen Reduzierung des Energieverbrauchs in aktiven Heiz- und Kühlsystemen spielen . Die Verwendung von Materialien mit thermischer Masse ist am vorteilhaftesten, wenn die Außentemperaturen von Tag zu Nacht stark unterschiedlich sind (oder wenn die Nachttemperaturen mindestens 10 Grad kühler sind als der Thermostat-Sollwert). Die Begriffe schwer und leicht werden häufig verwendet, um Gebäude mit unterschiedlichen thermischen Massenstrategien zu beschreiben, und beeinflussen die Wahl der numerischen Faktoren, die in nachfolgenden Berechnungen verwendet werden, um ihre thermische Reaktion auf Heizen und Kühlen zu beschreiben. In der Gebäudetechnik hat der Einsatz von dynamischer Simulationssoftware für die computergestützte Modellierung die genaue Berechnung der Umweltleistung von Gebäuden mit unterschiedlichen Konstruktionen und für unterschiedliche jährliche Klimadatensätze ermöglicht. Auf diese Weise kann der Architekt oder Ingenieur die Beziehung zwischen Schwer- und Leichtbaukonstruktionen sowie Isolationsniveaus im Detail untersuchen, um den Energieverbrauch für mechanische Heiz- oder Kühlsysteme zu senken oder sogar ganz auf solche Systeme zu verzichten.

Erforderliche Eigenschaften für eine gute thermische Masse

Ideale Materialien für thermische Masse sind Materialien mit:

• hohe spezifische Wärmekapazität ,
• hohe Dichte

Jeder Feststoff, jede Flüssigkeit oder jedes Gas mit Masse hat eine gewisse thermische Masse. Ein weit verbreitetes Missverständnis ist, dass nur Beton- oder Erdboden eine thermische Masse besitzt; sogar Luft hat thermische Masse (wenn auch sehr wenig).

Eine Tabelle der volumetrischen Wärmekapazität für Baustoffe ist verfügbar, aber beachten Sie, dass ihre Definition der thermischen Masse etwas anders ist.

Nutzung von thermischer Masse in verschiedenen Klimazonen

Die richtige Verwendung und Anwendung von thermischer Masse hängt vom vorherrschenden Klima in einem Stadtteil ab.

Gemäßigtes und kaltes gemäßigtes Klima

Sonnenexponierte thermische Masse

Die Wärmemasse wird idealerweise innerhalb des Gebäudes platziert und dort platziert, wo sie noch der tief einfallenden Wintersonne (über Fenster) ausgesetzt, aber vor Wärmeverlust isoliert ist. Im Sommer sollte die gleiche thermische Masse vor dem sommerlichen Sonnenlicht mit höherem Winkel abgeschirmt werden, um eine Überhitzung der Struktur zu verhindern.

Die thermische Masse wird tagsüber passiv durch die Sonne oder zusätzlich durch interne Heizsysteme erwärmt. In der Masse gespeicherte Wärmeenergie wird dann in der Nacht wieder an das Innere abgegeben. Es ist wichtig, dass es in Verbindung mit den Standardprinzipien des passiven Solardesigns verwendet wird .

Jede Form von thermischer Masse kann verwendet werden. Eine einfache Lösung ist ein Betonplattenfundament, das entweder offen belassen oder mit leitfähigen Materialien, z. B. Fliesen, bedeckt ist. Ein weiteres neuartiges Verfahren ist das Anbringen der Mauerwerksfassade eines Fachwerkhauses auf der Innenseite („Umkehrziegelfurnier“). Thermische Masse wird in dieser Situation am besten über eine große Fläche aufgetragen und nicht in großen Mengen oder Dicken. 7,5–10 cm (3″–4″) sind oft ausreichend.

Da die wichtigste thermische Energiequelle die Sonne ist, ist das Verhältnis von Verglasung zu thermischer Masse ein wichtiger zu berücksichtigender Faktor. Um dies zu bestimmen, wurden verschiedene Formeln entwickelt. Als allgemeine Regel gilt, dass für jeden Bereich mit Sonnenausrichtung (Nordseite auf der Südhalbkugel oder Südseite auf der Nordhalbkugel) zusätzliche solarbelichtete thermische Masse im Verhältnis von 6:1 bis 8:1 aufgebracht werden muss 7% der Gesamtfläche. Zum Beispiel hat ein 200 m ² großes Haus mit 20 m ² sonnenseitiger Verglasung 10 % der Verglasung bezogen auf die Gesamtgrundfläche; 6 m ² dieser Verglasung benötigen zusätzliche thermische Masse. Daher sind bei Verwendung des obigen 6:1 bis 8:1-Verhältnisses zusätzliche 36–48 m ² solarexponierte thermische Masse erforderlich. Die genauen Anforderungen variieren von Klima zu Klima.

Ein modernes Schulklassenzimmer mit natürlicher Belüftung durch Öffnen von Fenstern und freiliegender thermischer Masse aus einer massiven Betonbodenuntersicht, um die Sommertemperaturen zu kontrollieren

Thermische Masse zur Begrenzung der sommerlichen Überhitzung

Die thermische Masse wird idealerweise innerhalb eines Gebäudes platziert, wo sie vor direkter Sonneneinstrahlung abgeschirmt ist , aber den Gebäudenutzern ausgesetzt ist. Es wird daher am häufigsten mit massiven Betondecken in natürlich belüfteten oder mechanisch belüfteten Niedrigenergiegebäuden in Verbindung gebracht, bei denen die Betonuntersicht dem bewohnten Raum ausgesetzt ist.

Tagsüber wird Wärme von der Sonne, den Bewohnern des Gebäudes und jeglicher elektrischer Beleuchtung und Ausrüstung gewonnen, wodurch die Lufttemperaturen im Raum ansteigen, diese Wärme jedoch von der darüber liegenden Sichtbetonplatte aufgenommen wird, wodurch der Temperaturanstieg begrenzt wird innerhalb des Raums innerhalb eines akzeptablen Niveaus für den menschlichen thermischen Komfort liegen. Darüber hinaus nimmt die niedrigere Oberflächentemperatur der Betonplatte auch Strahlungswärme direkt von den Bewohnern auf, was ebenfalls der thermischen Behaglichkeit zugutekommt.

Am Ende des Tages ist die Platte wiederum aufgewärmt, und jetzt, wenn die Außentemperaturen sinken, kann die Wärme abgegeben und die Platte abgekühlt werden, um den nächsten Tag zu beginnen. Diese „Regeneration“ ist jedoch nur wirksam, wenn die Gebäudelüftung nachts betrieben wird, um die Wärme von der Decke abzuführen. In natürlich belüfteten Gebäuden ist es üblich, automatische Fensteröffnungen vorzusehen, um diesen Vorgang automatisch zu erleichtern.

Heißes, trockenes Klima (z. B. Wüste)

Ein Adobe-ummauertes Gebäude in Santa Fe, New Mexico

Dies ist eine klassische Verwendung von thermischer Masse. Beispiele sind Lehmziegel- , Stampflehm- oder Kalksteinblockhäuser . Seine Funktion hängt stark von starken täglichen Temperaturschwankungen ab . Die Wand dient hauptsächlich dazu, die Wärmeübertragung von außen nach innen während des Tages zu verzögern. Die hohe volumetrische Wärmekapazität und Dicke verhindert, dass Wärmeenergie die Innenfläche erreicht. Wenn die Temperaturen nachts sinken, strahlen die Wände die Wärmeenergie zurück in den Nachthimmel. Bei dieser Anwendung ist es wichtig, dass solche Wände massiv sind, um eine Wärmeübertragung in den Innenraum zu verhindern.

Heißes, feuchtes Klima (zB subtropisch und tropisch)

Die Verwendung von thermischer Masse ist in dieser Umgebung, in der die Nachttemperaturen erhöht bleiben, am schwierigsten. Seine Verwendung ist in erster Linie als temporäre Wärmesenke. Es muss jedoch strategisch platziert werden, um eine Überhitzung zu vermeiden. Es sollte in einem Bereich platziert werden, der nicht direkt der Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist und auch nachts eine ausreichende Belüftung ermöglicht , um die gespeicherte Energie abzuführen, ohne die Innentemperatur weiter zu erhöhen. Wenn überhaupt, sollte es in vernünftigen Mengen und nicht in großen Dicken verwendet werden.

Häufig verwendete Materialien für thermische Masse

• Wasser: Wasser hat die höchste volumetrische Wärmekapazität aller gängigen Materialien. Typischerweise wird es in großen Behältern, beispielsweise Acrylröhren , an einem Ort mit direkter Sonneneinstrahlung platziert. Es kann auch verwendet werden, um andere Arten von Materialien, wie beispielsweise Erde, zu sättigen, um die Wärmekapazität zu erhöhen.
• Beton, Tonziegel und andere Mauerwerksformen: Die Wärmeleitfähigkeit von Beton hängt von seiner Zusammensetzung und Aushärtungstechnik ab. Betone mit Steinen sind wärmeleitfähiger als Betone mit Asche, Perlit, Fasern und anderen isolierenden Zuschlagstoffen. Die thermischen Masseeigenschaften von Beton sparen 5–8 % der jährlichen Energiekosten im Vergleich zu Nadelholz.
• Isolierte Betonplatten bestehen aus einer inneren Betonschicht, um den thermischen Massenfaktor bereitzustellen. Diese wird von außen durch eine herkömmliche Schaumdämmung gedämmt und anschließend wieder mit einer äußeren Betonschicht abgedeckt. Der Effekt ist eine hocheffiziente Gebäudedämmhülle.
• Isolierende Betonschalungen werden üblicherweise verwendet, um Gebäudestrukturen mit thermischer Masse zu versorgen. Isolierende Betonschalungen liefern die spezifische Wärmekapazität und Masse des Betons. Die thermische Trägheit der Struktur ist sehr hoch, da die Masse auf beiden Seiten isoliert ist.
• Lehmziegel, Lehmziegel oder Lehmziegel: siehe Ziegel und Lehm .
• Erde, Schlamm und Rasen: Die Wärmekapazität von Schmutz hängt von seiner Dichte, seinem Feuchtigkeitsgehalt, seiner Partikelform, seiner Temperatur und seiner Zusammensetzung ab. Frühe Siedler in Nebraska bauten Häuser mit dicken Mauern aus Erde und Gras, weil Holz, Stein und andere Baumaterialien knapp waren. Die extreme Dicke der Wände sorgte für eine gewisse Isolierung, diente jedoch hauptsächlich als thermische Masse, die tagsüber Wärmeenergie aufnahm und nachts wieder abgab. Heutzutage verwenden die Menschen manchmal Erde, um ihre Häuser zu schützen, um den gleichen Effekt zu erzielen. Beim Erdschutz stammt die thermische Masse nicht nur von den Wänden des Gebäudes, sondern auch von der umgebenden Erde, die in physischem Kontakt mit dem Gebäude steht. Dies sorgt für eine ziemlich konstante gemäßigte Temperatur, die den Wärmefluss durch die angrenzende Wand verringert.
• Stampflehm: Stampflehm bietet aufgrund seiner hohen Dichte und der hohen spezifischen Wärmekapazität des verwendeten Bodens eine hervorragende thermische Masse.
• Naturstein und Naturstein: siehe Steinmetzarbeiten .
• Baumstämme werden als Baumaterial verwendet, um die Außen- und vielleicht auch die Innenwände von Häusern zu schaffen. Blockhäuser unterscheiden sich von einigen anderen oben aufgeführten Baumaterialien dadurch, dass Massivholz sowohl einen moderaten R-Wert (Dämmung) als auch eine erhebliche thermische Masse aufweist. Im Gegensatz dazu haben Wasser, Erde, Gestein und Beton alle niedrige R-Werte. Diese thermische Masse ermöglicht es einem Blockhaus, die Wärme bei kälterem Wetter besser zu speichern und seine kühlere Temperatur bei heißem Wetter besser zu halten.
• Phasenwechselmaterialien

Saisonale Energiespeicherung

Wenn genügend Masse verwendet wird, kann dies einen saisonalen Vorteil schaffen. Das heißt, es kann im Winter heizen und im Sommer kühlen. Dies wird manchmal als passiver Jahreswärmespeicher oder PAHS bezeichnet. Das PAHS-System wurde erfolgreich auf einer Höhe von 7000 Fuß in Colorado und in einer Reihe von Häusern in Montana eingesetzt. Die Earthships von New Mexico verwenden passives Heizen und Kühlen sowie recycelte Reifen für die Grundmauer, um ein maximales PAHS/STES zu erzielen. Es wurde auch in Großbritannien beim Hockerton Housing Project erfolgreich eingesetzt .

Siehe auch

• Erdschiff
• Stampflehmwand
• Spezifische Wärmekapazität
• Thermische Energiespeicherung
• Trombenwand

Verweise

Externe Links

• Ecopilot , Nutzung thermischer Masse zur Verbesserung des Gebäudekomforts und der Energieeffizienz