Konzepte für prima Klima
Unser Klima
Auch Bauteile wie beispielsweise Wände und Decken dienen der Wärme- und Kältespeicherung in Gebäuden. Eine wesentliche Rolle spielen diese Speicher im Kontext eines behaglichen Raumklimas sowie der Energieeinsparung. Die Speichermassen dienen der passiven Solarenergienutzung oder beispielsweise der Pufferung von Temperaturspitzen zur Vermeidung einer sommerlichen Überhitzung. Die Speicher können sowohl in passive als auch in aktive Systeme integriert werden. Kombinationen der aktiven Systeme mit Systemen zur Wärme- und Kältespeicherung im Gründungsbereich von Gebäuden werden immer häufiger realisiert. Um die Speicherwirkung optimal ausnutzen zu können, ist ein integrales Energiekonzept von großer Bedeutung.
Wärme- und Kältespeicherung in Bauteilen
Die Speicherwirkung der Bauteile ist stark abhängig von deren Materialeigenschaften Wärmekapazität, Dichte und Wärmeleitfähigkeit. Betrachtet man gängige Baustoffe, so ist beispielsweise die Speicherwirkung von Beton deutlich größer als die von Holz.
Bezogen auf das Gebäude bedeutet dieses, dass in massiven Gebäuden Temperaturänderungen deutlich besser gepuffert werden können als beispielsweise in Leichtbauten aus Holz und Gipskarton, in denen Speichermassen fehlen und es im Sommer schnell zur Überhitzung kommt. In Gebäuden in schwerer Bauweise hingegen speichern Decken und Wände tagsüber die Wärme aus solarer Einstrahlung und internen Lasten und geben diese nachts wieder an die kühlere Umgebung ab. Die Erwärmung der Raumluft und die zeitlichen Schwankungen der Raumtemperatur werden dadurch deutlich reduziert.
Speicherwirkung von Bauteilen - Einfluss des Materials und der Einbaustärke
Passive Systeme
Mögliche passive Systeme, bei denen die Gebäudemassen zur Wärmespeicherung zum Einsatz kommen, sind Systeme zur Solarenergienutzung oder zur Kühlung. Charakteristisch für passive Systeme ist, dass es keine Komponenten gibt, die aktiv Wärme zu- oder abführen. Die Wärmespeicherung und -abgabe ist allein abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen speichernden Gebäudekomponenten und Umgebung.
Passive Solarenergienutzung
Bei der passiven Solarenergienutzung wird tagsüber die über transparente Bauteile (z.B. Fenster) in das Innere des Gebäudes gelangende Solarstrahlung von den Gebäudemassen absorbiert und als Wärme gespeichert. Nachts geben die Bauteile die Wärme wieder an die Umgebung ab. Dieser Effekt findet in jedem Gebäude mehr oder weniger ausgeprägt statt und ist keineswegs auf Häuser beschränkt, die speziell für die passive Solarenergienutzung gebaut wurden.
Problem bei der passiven Speicherung ist, dass nur eine geringe Temperaturspanne zur Wärmespeicherung ausgenutzt werden kann. Zur Beladung muss die Temperatur im Raum höher und zur Entladung dagegen niedriger sein als die Wandtemperatur. Dadurch stehen nur etwa 1 bis 2 Grad zur Aufheizung und Abkühlung zur Verfügung und die nutzbare Speicherkapazität ist entsprechend klein. Bei entsprechendem Dämmstandard des Gebäudes ist es möglich, den Wärmebedarf für einen Tag in den massiven Bauteilen zu speichern und so den Heizwärmebedarf zu senken. Neben dem Dämmstandard, und somit möglichst geringen Transmissionswärmeverlusten über die Gebäudehülle, ist für die optimale Nutzung der solaren Gewinne die Orientierung des Gebäudes und der Fensterflächenanteil wesentlich.
Solare Einstrahlung und Speicherwirkung von Bauteilen an Strahlungstagen im Winter – zeitlicher Verlauf der Wärmeflüsse
Passive Kühlung
Das Prinzip der passiven Kühlung erfolgt genau gegenläufig zur passiven Solarenergienutzung. Hier speichern Decken und Wände tagsüber die im Gebäude anfallende Wärme und geben sie bei kühleren Bedingungen in der Nacht wieder an die Umgebung ab. Um diesen Effekt möglichst effektiv ausnutzen zu können, ist eine nächtliche Lüftung erforderlich, um eine ausreichende Abkühlung der Speichermassen und eine ausreichende Wärmeabfuhr aus dem Gebäude ermöglichen.
Die passive Kühlung ist zur Vermeidung der Überhitzung in den Übergangszeiten besonders für Bürogebäude von Bedeutung.
Passive Systeme mit Latentwärmespeichermaterialien
In den immer mehr verbreiteten Gebäuden in Leichtbauweise mit Bauteilen aus Holz oder Gipskarton und in Bürogebäuden mit leichten Trennwänden stehen die erforderlichen thermischen Massen zur Wärmespeicherung meist nicht zur Verfügung. Um auch in diesen Gebäuden Solarenergie passiv nutzen oder Lastspitzen durch Wärmespeicherung abbauen zu können, wurden in den letzten Jahren Lösungen entwickelt, bei denen man Latentwärmespeichermaterialien in Gebäude integriert und in Bauteile einbindet, um so deren Wärmekapazität und Speicherwirkung zu erhöhen.
Zur passiven Solarenergienutzung wurden in den letzten Jahren transluzente (durchscheinende) Fassadenelemente mit eingeschlossenem PCM (PCM Phase Change Material) entwickelt. Die Solarstrahlung wird von den Fassadenelementen absorbiert und in Wärme umgewandelt. Die Wärme wird zum Schmelzen des PCM verwendet und bei Nacht oder bei fehlendem Sonnenschein wieder an die Umgebung abgegeben.
Prinzipskizze eines Powerglas-Moduls
Aktive Systeme
Allgemein bekannte aktive Heizsysteme, welche die Bauteilmassen zur Wärmespeicherung nutzen, sind Flächenheizungen wie Fußbodenheizungen.
Ein weiteres aktives System, bei dem die Speichermassen von Bauteilen – häufig Decken – ausgenutzt werden, ist die Thermische Bauteilaktivierung, auch Betonkernaktivierung genannt. Dieses System ist sowohl für Kühl- als auch für Heizzwecke einsetzbar.
Genau wie bei den beschriebenen passiven Systemen werden auch bei der Thermischen Bauteilaktivierung die Speichermassen der Betonbauteile genutzt. Die Wärmeabfuhr (kühlen) bzw. -zufuhr (heizen) erfolgt allerdings über in den Betonkern integrierte und von einem Wärmeträgermedium, in der Regel Wasser, durchströmte Rohrschlangen.
Wärme- und Kältespeicherung im Gründungsbereich
Um die Ziele Primärenergiebedarfs- und Kostensenkung zu realisieren, wird in modernen energieeffizienten Bürogebäuden seit einigen Jahren die Gründung oftmals in Verbindung mit dem umgebenden Erdreich zur Wärme- und Kältespeicherung genutzt. Dabei fungiert das Gründungsbauwerk als Wärmeübertrager zum Einspeichern von thermischer Energie zu Heiz- und Kühlzwecken. Dies geschieht in den häufigsten Fällen durch die synergetische Verwendung der aus statischen Gründen vorhandenen massigen Fundamentbodenplatten („Fundamentabsorber“) oder der Pfahlgründung („Energiepfähle“).
Ein weiterer Erschließungsweg, die Wärme-/Kältespeicherfähigkeit des Untergrundes zu nutzen, ist die Abteufung von Erdwärmesondensystemen (EWS). Bei dieser Art des saisonalen Wärme-/Kältespeichers wird während der Heizperiode im Winter dem Boden über einen Wärmeträger Energie entzogen.
Pfahlkopf eines Energiepfahls mit den zugehörigen Anschlussleitungen
Der stetige Wärmeentzug im Winter führt zum Auskühlen des Erdreiches. Fundament bzw. EWS und umgebendes Erdreich bilden einen Kältespeicher. Im Sommer kann das niedrige Temperaturniveau des Erdreiches zum Kühlen des Gebäudes genutzt werden. Quelle Text und Fotos: BINE Informationsdienst
Ein BINE-Informationspaket … Detaillierte Hinweise zum neuen BINE-Buch „Wärmepeicher“ finden Sie im nächsten Kapitel
________________________________________________________________________
