Thermische Masse

Thermische Masse ist wirksam bei der Verbesserung des Gebäudekomforts an jedem Ort, an dem solche täglichen Temperaturschwankungen auftreten — sowohl im Winter als auch im Sommer.Bei guter Nutzung und in Kombination mit passivem Solardesign kann die 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 variieren (oder wenn die Nachttemperaturen mindestens 10 Grad kühler sind als der Thermostatsollwert).Die Begriffe Schwergewicht und Leichtgewicht werden häufig verwendet, um Gebäude mit unterschiedlichen thermischen Massestrategien zu beschreiben, und beeinflusst die Wahl der numerischen Faktoren, die in nachfolgenden Berechnungen verwendet werden, um ihre thermische Reaktion auf Heizung und cooling.In gebäudetechnik, der Einsatz von dynamischer Simulations- und Modellierungssoftware hat die genaue Berechnung der Umweltleistung in Gebäuden mit unterschiedlichen Konstruktionen und für verschiedene jährliche Klimadatensätze ermöglicht. Auf diese Weise kann der Architekt oder Ingenieur die Beziehung zwischen schweren und leichten Konstruktionen sowie die Isolationsstufen im Detail untersuchen, um den Energieverbrauch für mechanische Heiz- oder Kühlsysteme zu senken oder sogar die Notwendigkeit solcher Systeme insgesamt zu beseitigen.

Eigenschaften, die für eine gute thermische Masse erforderlich sindbearbeiten

Ideale Materialien für thermische Masse sind solche Materialien, die:

• 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 thermische Masse hat; Sogar Luft hat thermische Masse (obwohl sehr wenig).

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

Nutzung thermischer Masse in verschiedenen Klimasbearbeiten

Die korrekte Nutzung und Anwendung thermischer Masse hängt vom vorherrschenden Klima in einem Stadtteil ab.

Gemäßigtes und kaltes gemäßigtes Klimabearbeiten

Solarbelichtete Wärmemasse

Die Wärmemasse ist ideal im Gebäude platziert und befindet sich dort, wo sie noch der Wintersonne mit niedrigem Winkel ausgesetzt werden kann (über Fenster), aber vor Wärmeverlust isoliert ist. Im Sommer sollte die gleiche thermische Masse vor dem Sonnenlicht im Sommer mit höherem Winkel verdeckt 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 ins 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. Ein Betonplattenfundament, das entweder freigelegt oder mit leitfähigen Materialien, z. B. Fliesen, bedeckt ist, ist eine einfache Lösung. Eine weitere neuartige Methode besteht darin, die gemauerte Fassade eines Fachwerkhauses auf der Innenseite zu platzieren (‚Reverse-Brick-Furnier‘). Thermische Masse wird in dieser Situation am besten großflächig und nicht in großen Mengen oder Dicken aufgetragen. 7.5-10 cm (3-4″) ist oft ausreichend.

Da die wichtigste Wärmequelle die Sonne ist, ist das Verhältnis von Wärme zu thermischer Masse ein wichtiger Faktor. Verschiedene Formeln wurden entwickelt, um dies zu bestimmen. In der Regel muss zusätzliche sonnenexponierte thermische Masse in einem Verhältnis von 6: 1 bis 8: 1 für jeden Bereich der Sonnenverglasung (Nordseite in der südlichen Hemisphäre oder Südseite in der nördlichen Hemisphäre) über 7% der Gesamtfläche aufgebracht werden Bodenfläche. Zum Beispiel hat ein 200 m2 großes Haus mit 20 m2 Sonnenverglasung 10% der Verglasung nach Gesamtfläche; 6 m2 dieser Verglasung erfordern zusätzliche thermische Masse. Bei Verwendung des obigen Verhältnisses von 6: 1 bis 8: 1 sind daher zusätzliche 36-48 m2 sonnenexponierte 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 zur Kontrolle der Sommertemperaturen

Die thermische Masse wird idealerweise in einem Gebäude platziert, wo sie vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt ist, aber den Gebäudenutzern ausgesetzt ist. Es wird daher am häufigsten mit massiven Betonbodenplatten in natürlich belüfteten oder mechanisch belüfteten Niedrigenergiegebäuden in Verbindung gebracht, in denen die Betonuntersicht dem belegten Raum ausgesetzt bleibt.

Tagsüber wird Wärme von der Sonne, den Bewohnern des Gebäudes und jeglicher elektrischen Beleuchtung und Ausrüstung gewonnen, wodurch die Lufttemperaturen im Raum ansteigen, aber diese Wärme wird von der Sichtbetonplatte oben absorbiert, wodurch der Temperaturanstieg im Raum auf ein für den menschlichen thermischen Komfort akzeptables Niveau begrenzt wird. Darüber hinaus absorbiert die niedrigere Oberflächentemperatur der Betonplatte auch Strahlungswärme direkt von den Bewohnern, was auch ihrem thermischen Komfort zugute kommt.

Am Ende des Tages hat sich die Bramme wiederum erwärmt, und jetzt, da die Außentemperaturen sinken, kann die Wärme freigesetzt und die Bramme abgekühlt werden, bereit für den Beginn des nächsten Tages. Dieser „Regenerationsprozess“ ist jedoch nur wirksam, wenn die Gebäudelüftungsanlage nachts betrieben wird, um die Wärme von der Platte abzuführen. In natürlich belüfteten Gebäuden ist es normal, automatisierte Fensteröffnungen vorzusehen, um diesen Vorgang automatisch zu erleichtern.

Heiße, trockene Klimazonen (z.B. Wüste)Edit

Ein Adobe ummauerten Gebäude in Santa Fe, New Mexico

Dies ist eine klassische Verwendung von thermischer Masse. Beispiele sind Adobe, gestampfte Erde oder Kalksteinblockhäuser. Seine Funktion ist stark abhängig von ausgeprägten täglichen Temperaturschwankungen. Die Wand wirkt überwiegend, um die Wärmeübertragung von außen nach innen während des Tages zu verzögern. Die hohe volumetrische Wärmekapazität und Dicke verhindert, dass Wärmeenergie die innere Oberfläche erreicht. Wenn nachts die Temperaturen fallen, strahlen die Wände die Wärmeenergie zurück in den Nachthimmel. Bei dieser Anwendung ist es wichtig, dass solche Wände massiv sind, um eine Wärmeübertragung in das Innere zu verhindern.

Heiße feuchte Klimazonen (z. B. subtropisch und tropisch)Bearbeiten

Die Verwendung von thermischer Masse ist in dieser Umgebung, in der die Nachttemperaturen erhöht bleiben, die größte Herausforderung. Seine Verwendung ist in erster Linie als temporäre Wärmesenke. Es muss jedoch strategisch günstig gelegen sein, um eine Überhitzung zu vermeiden. Es sollte in einem Bereich aufgestellt werden, der nicht direkt dem Sonnengewinn ausgesetzt ist und auch nachts eine ausreichende Belüftung ermöglicht, um gespeicherte Energie abzuführen, ohne die Innentemperaturen weiter zu erhöhen. Wenn es überhaupt verwendet werden soll, sollte es in vernünftigen Mengen und wieder nicht in großen Dicken verwendet werden.

Materialien, die üblicherweise für thermische Massen verwendet werdenbearbeiten

• Wasser: Wasser hat die höchste volumetrische Wärmekapazität aller üblicherweise verwendeten Materialien. Typischerweise wird es in großen Behältern, beispielsweise Acrylröhren, in einem Bereich mit direkter Sonneneinstrahlung platziert. Es kann auch verwendet werden, um andere Arten von Material wie Erde zu sättigen, um die Wärmekapazität zu erhöhen.
• Beton, Lehmziegel und andere Formen von Mauerwerk: Die Wärmeleitfähigkeit von Beton hängt von seiner Zusammensetzung und Härtungstechnik ab. Betone mit Steinen sind wärmeleitfähiger als Betone mit Asche, Perlit, Fasern und anderen isolierenden Zuschlagstoffen. Die thermischen Masseneigenschaften von Beton sparen 5-8% der jährlichen Energiekosten im Vergleich zu Nadelholz.
• Isolierte Betonplatten bestehen aus einer inneren Betonschicht, um den thermischen Massenfaktor bereitzustellen. Dieser wird von außen durch eine herkömmliche Schaumisolierung gedämmt und anschließend wieder mit einer äußeren Betonschicht abgedeckt. Der Effekt ist eine hocheffiziente Gebäudedämmhülle.
• Isolierende Betonformen werden üblicherweise verwendet, um Gebäudestrukturen mit thermischer Masse zu versorgen. Isolierende Betonformen liefern die spezifische Wärmekapazität und Masse von Beton. Die thermische Trägheit der Struktur ist sehr hoch, da die Masse auf beiden Seiten isoliert ist.
• Lehmziegel, Lehmziegel oder Lehmziegel: siehe Ziegel und Lehmziegel.
• Erde, Schlamm und Grasnarbe: 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 Dreck und Grasnarbe, weil Holz, Stein und andere Baumaterialien knapp waren. Die extreme Dicke der Wände sorgte für eine gewisse Isolierung, diente aber hauptsächlich als thermische Masse, die tagsüber Wärmeenergie absorbierte und nachts freisetzte. Heutzutage benutzen Leute manchmal Erde, die um ihre Häuser für den gleichen Effekt schützt. Beim Erdschutz kommt 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 liefert eine ziemlich konstante, moderierende Temperatur, die den Wärmefluss durch die angrenzende Wand reduziert.
• Stampflehm: Stampflehm bietet aufgrund seiner hohen Dichte und der hohen spezifischen Wärmekapazität des für seine Konstruktion verwendeten Bodens eine hervorragende thermische Masse.
• Natürlicher Fels und Stein: siehe Steinmetz.
• Baumstämme werden als Baumaterial verwendet, um die Außenwände und vielleicht auch die Innenwände von Häusern zu schaffen. Blockhäuser unterscheiden sich von einigen anderen oben aufgeführten Baumaterialien, da Massivholz sowohl einen moderaten R-Wert (Isolierung) als auch eine signifikante thermische Masse aufweist. Im Gegensatz dazu haben Wasser, Erde, Felsen und Beton alle niedrige R-Werte. Diese thermische Masse ermöglicht es einem Blockhaus, bei kälterem Wetter die Wärme besser zu halten und bei heißem Wetter die kühlere Temperatur besser zu halten.
• Phasenwechselmaterialien

Saisonale Energiespeicherbearbeiten

Wenn genügend Masse verwendet wird, kann dies zu einem saisonalen Vorteil führen. Das heißt, es kann im Winter heizen und im Sommer abkühlen. Dies wird manchmal als passive jährliche Wärmespeicherung oder PAK bezeichnet. Das PAHS-System wurde erfolgreich bei 7000 ft eingesetzt. in Colorado und in einer Reihe von Häusern in Montana. Die Erdschiffe von New Mexico verwenden passive Heizung und Kühlung sowie recycelte Reifen für die Fundamentwand, die ein Maximum an PAK / STES ergeben. Es wurde auch in Großbritannien im Hockerton Housing Project erfolgreich eingesetzt.