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Berechnung des Hitzeschutzes
Von Ralf Plag | 29.5.2011Ein behagliches Raumklima im Winter bei möglichst niedrigen Heizkosten ist heute bereits selbstverständlich. Aber wie sieht es mit der Behaglichkeit im Sommer aus, wenn außerhalb der schützenden Gebäudehülle Temperaturen von 40°C herrschen?
Will man seine Wohnung im Sommer ohne Klimaanlage auf möglichst behaglichen Temperaturen halten, gibt es nur einen Weg: die Kälte der Nacht auszunutzen. Die Idee: Die Hitze des Tages soll von wärmespeichernden Materialien “aufgefangen” werden. Dadurch wird die Temperaturwelle, die von der äußeren zur inneren Oberfläche läuft, verzögert und abgeschwächt. Nachts soll die gespeicherte Wärme wieder an die dann kühlere Außenluft abgegeben werden.
Ziel ist es, die Temperaturschwankungen auf der inneren Oberfläche möglichst gering zu halten und das Maximum der Innentemperatur in der zweiten Nachthälfte zu erreichen, also mit einer zeitlichen Verzögerung von ca. 10-12 Stunden.
Abbildung 1: Temperaturverlauf innerhalb des Bauteils zu verschiedenen Zeitpunkten. Jeweils von oben nach unten, braune Linien: um 15, 11 und 7 Uhr und rote Linien um 19, 23 und 3 Uhr morgens.
Im Vergleich zum Wärmeschutz kommt hier also ein weiterer Faktor ins Spiel: die Zeit. Nun ist es nicht mehr ausreichend, mit konstanten Temperaturen zu rechnen. Statt dessen muss die tageszeitliche Schwankung und die Speicherfähigkeit der Baustoffe berücksichtigt werden. Dazu führt der U-Wert-Rechner auf u-wert.net eine Simulation durch, bei der der Temperaturverlauf innerhalb des Bauteils über 24 Stunden (plus 72 Stunden Einschwingzeit) in 10 Minuten Schritten simuliert wird.
Dafür wird eine periodisch schwankende Temperatur der Außenluft angenommen, z.B. sinusförmig zwischen 15°C und 35°C. Das Ergebnis der Simulation ist der zeitliche Temperaturverlauf auf der inneren und äußeren Oberfläche des Bauteils. Der Vergleich dieser beiden Temperaturverläufe gibt Aufschluss über die Verringerung der Temperaturschwankung auf der Innenseite sowie die zeitliche Verzögerung:
Abbildung 2: Temperatur der äußeren (rot) und inneren (blau) Oberfläche während eines Sommertages. Die Pfeile markieren die Zeitpunkte, bei denen die Temperaturen ihre Höchstwerte erreichen. Der horizontale Abstand in Stunden der beiden Pfeile bezeichnet man als Phasenverschiebung.
Um den Effekt des Bauteils in möglichst einfache Zahlen zu fassen, berechnet der U-Wert-Rechner die Temperaturamplitudendämpfung sowie die Phasenverschiebung:
Die Temperaturamplitudendämpfung beschreibt, wie stark die Temperatur der inneren Oberfläche im Vergleich zur äußeren Oberfläche schwankt. Ein Wert von 10 bedeutet, dass die äußere Oberfläche 10 mal stärkere Temperaturschwankungen aufweist, als die innere, z.B. 15°C bis 35°C außen und 24°C bis 26°C innen (20°C/2°C = 10). Dieser Wert sollte möglichst groß sein, gute Werte liegen bei 20 und höher. Der Kehrwert der Temperaturamplitudendämpfung (1/Temperaturamplitudendämpfung) wird als Temperaturamplitudenverhältnis (TAV) bezeichnet.
Die zeitliche Verzögerung der Temperaturwelle wird durch die Phasenverschiebung beschrieben: Das ist ist die Zeit in Stunden zwischen der maximalen Temperatur auf der äußeren und inneren Oberfläche. Ein Wert von 12 Stunden bedeutet hier, dass die maximale Innentemperatur 12 Stunden nach dem Maximum der äußeren Oberflächentemperatur erreicht wird. Eine Phasenverschiebung von 10-12 Stunden ist deshalb ideal, so dass das Temperaturmaximum der inneren Oberfläche in der zweiten Nachthälfte erreicht wird. Zu diesem Zeitpunkt kann der Wärmeeintrag normalerweise durch Lüften ausgeglichen werden.
Diese Berechnungen werden wie gewohnt automatisch bei jeder Änderung Ihres Bauteils durchgeführt. Die Ergebnisse werden in Kurzform rechts über dem Eingabeformular angezeigt, und auf dem Tabreiter “Hitzeschutz” unter dem Eingabeformular in detaillierter Form diskutiert.
Tipps für die Planung
Um einen optimalen Hitzeschutz zu erreichen, ist eine gezielte Kombination aus dämmenden und wärmespeichernden Schichten notwendig. Faustregel: Wärmespeicher nach innen, Wärmedämmung nach außen:
- je weiter innen speicherfähige Masse angeordnet wird, umso höher ist deren Beitrag zum Hitzeschutz
- deshalb sollten vor allem die innersten Schichten eine möglichst hohe Speicherfähigkeit besitzen, d.h. eine möglichst hohe Masse haben
- Dämmstoff auf der Innenseite verbessert den Hitzeschutz praktisch nicht
- Holz und Holzfaserplatten bieten ein hohes Speichervermögen. Auf der Außenseite als Unterdeckplatte angeordnet ist die Verbesserung des Hitzeschutzes allerdings 2-3 Mal geringer, als auf der Innenseite.
Warum dies so ist, leuchtet schnell ein: Hat die heiße Außenluft direkten Kontakt zur Speichermasse, ist der Energieeintrag und damit die Erwärmung der Speichermasse besonders hoch. Durch die thermische Entkopplung, d.h. durch eine Dämmschicht zwischen Wärmespeicher und Außenluft, wird der Energieeintrag in die relevanten Schichten deutlich reduziert.
Fazit
Temperaturamplitudendämpfung und Phasenverschiebung sind als vergleichbare Qualitätsmerkmale für die Beurteilung des Hitzeschutzes eines Bauteils unentbehrlich. Allerdings darf man nicht erwarten, dass die berechneten Innentemperaturen den tatsächlichen Temperaturen entsprechen. In der Praxis spielen nämlich weitere Faktoren eine wichtige Rolle: Z.B. zusätzliche Wärmespeicher (Innenwände, Fußböden, usw.). Lüftung während der kühleren Abend-/Nachtstunden und die direkte Sonneneinstrahlung: Der Wärmeeintrag durch direkte Sonneneinstrahlung ist ca. 200 – 1000 Mal größer, als der Wärmeeintrag durch eine gedämmte Wand. Geeignete, außen liegende Verschattungseinrichtungen sind deshalb unentbehrlich. Solange die Sonne ungehindert durch Quadratmeter große Fenster in den Raum scheint, spielt die Temperaturamplitudendämpfung praktisch keine Rolle.
10 Kommentare zu “Berechnung des Hitzeschutzes”
Kommentare
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30.Mai 2011 at 23:13
die Berechnung ist zwar nett, aber ziemlich realitätsfremd.
Ich habe in Süd-Westrichtung eine Glasschiebetür mit
Phasenverschiebung: 2.3h Amplitudendämpfung: 1.1
ansonsten Wände superisoliert:
südwestwand: Phasenverschiebung: 15.7h Amplitudendämpfung: 1250.0
nord-westwand: Phasenverschiebung: 10.8h Amplitudendämpfung: 243.9
praktisch hat sich der Raum jedoch durch die Einstrahlung durchdie Glastüre am letzten Sonntag (dauernd Sonne, >25°C Tmax) von 23°C auf 25°C aufgeheizt.
So eine Berechnung macht erst Sinn, wenn die durch die Fenster direkt wirkende Temperaturerhöhung mit berechnet wird.
Bei einem U-Wert von 0,108 passiert von außen so gut wie nichts mehr, aber die durch die Fenster eingestrahlte Energie wird in den Wänden gespeichert.
Ich habe ein “Betonhaus”, der Baukörper (Wände/Decken) speichert ca. 28KWh/K, nach Abzug der inneren Gewinne brauche ich bei einer Außentemperatur von 0°C etwa 500W Heizung für die Verluste über alle Fenster und die gedämmten Wände/Dach etc (genau 63 W/m²K).
Ich habe eine Außenwandbeheizung installiert, das gibt mir die chance, die Wände durch einen Erdwärme-Wärmetauscher im Sommer auch zu kühlen, wie es jetzt aussieht, muss ich das auch machen, ansonsten kann ich spätestens ab mitte juni mein Haus als Großraumbrutkasten für Frühchen zur Verfügung stellen
soviel für heute
LG jogi
1.Juni 2011 at 10:14
Hallo Jogi,
was Sie schreiben ist vollkommen richtig: Solange die Sonne durch Fenster direkt in den Raum scheint, ist der Hitzeschutz der Wände praktisch egal. Darauf habe ich bereits am Ende dieses Artikels hingewiesen.
Mit einer Strahlungsleistung von bis zu 1000 W/m2 ist die direkte Sonnenstrahlung 200 – 1000 Mal stärker als der Wärmeeintrag durch eine Wand. Oberstes Gebot ist deshalb, die direkte Sonneneinstrahlung durch Verschattungseinrichtungen auf ein vertretbares Maß zu reduzieren. Erst dann ist die Berücksichtigung der Speicherwirkung und die Berechnung des Hitzeschutzes sinnvoll.
“Verschattung” bedeutet übrigens nicht, dass Sie die Rollläden bis Anschlag herunter lassen müssen. Mit Außenjalousien (teuer) oder einem Sonnensegel (billig) können Sie die Sonneneintrahlung reduzieren ohne den Innenraum zu sehr abzudunkeln.
1.Juni 2011 at 11:35
Ich bedanke mich sehr herzlich fuer dieses wunderschoene Instrument! Ich bin mit meinem Gebaeude einen Schritt sicherer! Vielen Dank!
7.Juni 2011 at 15:36
Ich finde die Funktion absolut praktisch. Wer energetische Planungen durchführt muss immer auch den Sonnenstand im Winter und im Sommer mit bedenken. Wenn man die Fenster richtig plant, wird im Sommer kaum Energie eingetragen aber im Winter wird fast jeder Sonnenstrahl als energetischer Gewinn gebucht. Für den, der sich ein wenig in solarer Architektur auskennt und sich nach der Natur richtet (wie altmodisch), dem hilft diese Funktion ungemein. Ich danke dem Verfasser, dass er sein Ingenium hier eingesetzt hat und der Allgemeinheit zur Verfügung stellt. Es hilft mir als Energieberater meine Kunden von bauphysikalisch richtigen Konstruktionen zu überzeugen.
Beste Grüße aus Barsinghausen bitte machen Sie weiter so.
23.Juni 2011 at 11:32
einen herzlichen Dank an den Verfasser u-wert-nets, daß hier ein übersichtliches und praktisches
Element zur schnellen Berechnung k o s t e n l o s
zur Verfügung gestellt wird. Sicherlich kann man immer etwas verbessern, aber auch die teueren
“Profiprogramme” haben ihre Tücken. Die FH-Düsseldorf nutzt dieses Programm zur Unterstütz-ung ihrer Vorlesungen.
23.Juni 2011 at 13:37
Vielen Dank für das Kompliment! Dass man immer noch etwas verbessern kann, ist leider richtig, ich sehe das an meiner ständig wachsenden ToDo-Liste… Über konkrete Verbesserungsvorschläge freue ich mich aber trotzdem immer!
18.August 2011 at 00:08
In wie fern fließt die Erwärmung des äußersten Bauteiles durch direkte Sonnenbestrahlung in die Berechnung mit ein? Meiner Auffassung nach wird hier von vollkommen verschatteten Fassaden ausgegangen, richtig? Falls dem so ist, ist die Berechnung relativ praxisfremd (selbst ohne Betrachtung der Fenstereinträge).
18.August 2011 at 10:43
Die hier durchgeführte Bewertung des Hitzeschutzes ist als Kriterium zu sehen, mit dem verschiedene Varianten eines Bauteils verglichen werden können. Für die Berechnung der Temperaturschwankungen auf der Wandinnenseite wird keine Sonneneinstrahlung berücksichtigt. Mit Sonneneinstrahlung ist das Verhalten des Bauteils aber nicht grundsätzlich anders: Die Temperaturschwankung auf der Außenseite wird in gleichem Maße abgeschwächt und Zeitverschoben. Oder anders formuliert: Selbst wenn die Sonneneinstrahlung berücksichtigt werden würde, wären die berechneten Werte für die Temperaturamplitudendämpfung und die Phasenverschiebung praktisch die gleichen. Es geht hier um die Bewertung eines einzelnen Bauteils und dafür sind die berechneten Werte aussagekräftig und in der Branche ein anerkannter Standard.
Richtig ist, dass die mittlere Temperatur auf der Wandinnenseite und deren Schwankung bei Sonneneinstrahlung höher sein wird. Wie bereits im Artikel erwähnt, kann mit diesen Daten aber grundsätzlich nicht auf die tatsächliche Raumtemperatur geschlossen werden. Nicht nur weil Sonneneinstrahlung unberücksichtigt bleibt, sondern vor allem auch, weil passive Speichermasse (Fußboden, Innenwände, …) unberücksichtigt bleibt.
Um den Verlauf der Raumtemperatur zu berechnen, ist eine wesentlich umfangreichere Simulation notwendig, die alle Umfassungsflächen, Fenster, Verschattung, Konvektion und Wärmestrahlung, etc. berücksichtigt.
8.September 2011 at 15:20
Ein tolles Tool. Danke für machen und bereitstellen.
Ein Ergänzungsvorschlag:
Wenn man jetzt noch die Amplituden (Maximal- und Minimalwerte der Aussentemperatur) selber individuell setzen könnte, könnte man auch winterliche Bedingungen simulieren.
Und wenn man dann noch zusätzlich zu diesen erzeugten “dynamischen Temperaturverläufen” der Schichten, die jeweiligen Taupunkte bzw. Taupunktkurven für verschiedene Tageszeitpunkte anzeigen würde, hätte man eine eventuell noch realitätsnähere Beurteilung des Feuchtigkeitsverhaltens der Wand.
8.September 2011 at 16:53
Vielen Dank! Ich nehme das als Inspiration für zukünftige Versionen auf.
Um die Taupunktkurven zu berechnen, müsste der gesamte Feuchtetransport ebenfalls simuliert werden, was in diesem Rahmen im Moment leider noch nicht möglich ist.
Die Amplitude der Außentemperatur hat im Übrigen keinen Einfluss auf die Amplitudendämpfung und die Phasenverschiebung.