Inhaltsverzeichnis:

1.0 Wärmespeicherung
  1.1 Bedeutung der Wärmespeicherung für Raumklima und Energieeinsparung
  1.2 Wärmespeicherung innenliegender Bauteile
     1.2.1 Stoffkriterien für die Wärmespeicherwirkung
       1.2.1.1 Spezifische Wärme c
       1.2.1.2 Wärmespeicherzahl S
  > 1.2.2 Wärmeaustausch zwischen Raumluft und Bauteil
       1.2.2.1 Temperaturdifferenz und zeitlicher Schwankungsverlauf
       1.2.2.3 Wärmeübergangszahl a
     1.2.4 Raumdecken, Dachdecken
     1.2.5 Innenwände
  1.3 Außenbauteile
     1.3.1 Durchgang äußerer Temperaturschwankungen durch Außenbauteile
     1.3.2 Grundlagen zur Bemessung von Außenwänden und Dachdecken
       1.3.2.1 Phasenverschiebung F
       1.3.2.2 Temperatur-Amplitudendämpfung Q
     1.3.3 Konstruktionsvergleiche
     1.3.4 Außenwände
  1.4 Auswirkung der Wärmespeicherung im Winter

Trotz der geringeren spezifischen Wärme dämpft der schwere Beton gegenüber Holzstoffen Temperaturschwankungen wesentlich wirksamer. Für eine wirksame Wärmespeicherung sind daher Baustoffe mit hoher Wärmeeindringzahl besonders günstig.
Aus dem zeitlichen Ablauf der wechselnden Wärmebelastungen im Tagesrhythmus und der Wärmeeindringeschwindigkeit ergibt sich bei den verschiedenen Baumaterialien eine Grenzdicke für die Ausnutzbarkeit ihrer Speicherfähigkeit.
Für ein angenommenes Raumbeispiel mit festgelegten geometrischen und klimatischen Randbedingungen und der Voraussetzung 24-stündiger Periodizität der Wärmebelastung zeigen die Kurven in Abb.30, bezogen auf eine konstante Mitteltemperatur, die unterschiedlichen Temperaturmaxima in Abhängigkeit von der Stoffdicke der Raumumgrenzung bei unterschiedlichen Materialien.
Das Beispiel zeigt die mit verschiedenen Baustoffen erreichten Dämpfungseffekte auf die Raumlufttemperatur und die im Belastungszeitraum (Tagesgang) ausnutzbaren Grenzdicken bei beidseitiger Wärmebelastung.

Bei ansteigenden Mitteltemperaturen während einer Hitzeperiode können durch dickere Speicherschichten noch weitere spürbare Dämpfungseffekte erzielt werden. Praktisch ist für Schwerbetonteile eine Dicke von 15 -20 cm ausreichend.
Bei Materialien mit niedriger Wärmeeindringzahl (b <10 Wh1/2/m²K) sind hingegen Bauteildicken über 12 - 15 cm für die Wärmespeicherung kaum mehr ausnutzbar (siehe Abb. 31).

Ausschlaggebende Bedeutung hat die Wärmeeindringzahl der Oberflächenschicht. Bereits sehr dünne wärmedämmende Verkleidungen verringern die Wärmeaufnahmefähigkeit erheblich.

In Abb.32 sind für eine Reihe typischer Innenwandkonstruktionen die halbseitigen Wärmespeicherka-pazitäten S' pro m² (beidseitige Wärmebelastung) zusammengestellt. Diese können insofern als Vergleichswerte dienen, als bei den in Frage kommenden Wanddicken und einer Wärmeeindringgeschwindigkeit von b > 7,0 Wh1/2/m²K (Holz hat bereits Werte zwischen b = 6,5 - 9,5) von einer annähernd vollen Ausnutzbarkeit der Speicherschichten ausgegangen werden kann.1)
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1) Für sehr kurzfristig auftretende starke Wärmebelastungen bleibt allerdings eine höhere Wärmeeindringgeschwindigkeit für die temperaturdämpfende Wirkung entscheidend.

Dadurch wirkt sich die höhere spezifische Wärme von organischen (c ~ 0,58) gegenüber mineralischen Stoffen (c ~ 0,28) aus, und das Wandgewicht ist zur Beurteilung der Speicherwirkung, zumindest bei Konstruktionen unter 150 kg/m² allein nicht mehr ausreichend.
So weist z.B. eine nur 33 kg/m² schwere Elementwand aus 19 mm Spanplatten mit S' = 9,6 (Wh/m² K) bereits nahezu die gleiche Speicherfähigkeit auf wie eine 85 kg schwere Wand aus Vollgipsplatten mit S' = 9,8 und verhält sich wesentlich günstiger als die etwa gleich schwere Wand aus 15 mm Gipskartonplatten auf Metallständern mit S' = 5,1 Wh/m²K. Der immerhin spürbare Einfluß dieser geringen Speicherfähigkeit soll an einem Raumbeispiel aufgezeigt werden.
Würde man einen Seminarraum von der Größe 4,8 x 6,0 m bei 3,0 m lichter Raumhöhe mit der bereits beschriebenen Elementwand aus Spanplatten ausführen, so ergabe sich bei Belegung mit 14 Personen und der Sonneneinstrahlung durch 10 m² Südfenster mit Außenjalousetten für den Hochsommer bei Annahme sonst völlig fehlenden Wärmetausches (Lüftung, Transmission) und unter Vernachlässigung der Zeitverzögerung bei der Wärmeaufnahme eine stündliche Raumluft-Temperaturzunahme von 20°C auf 23°C gegenüber von 20°C auf 27°C bei Verwendung der Metallständerwand mit 15 mm Gipskartonplatten.
Bei dieser vereinfachten Betrachtung wurde die Abhängigkeit der Wärmeaufnahme von Zeitdauer und Eindringgeschwindigkeit bewußt ausgeklammert, wobei deren Bedeutung um so größer wird, je dicker die Bauteile sind. Dennoch kann Abb.32 bei der Auswahl der Raumtrennwände eine nützliche Entscheidungshilfe sein.

1.3 Außenbauteile

Bei der Wärmespeicherung der inneren Raumumgrenzung wurde deren dämpfende Wirkung durch Wärmeaufnahme bei steigenden und Wärmeabgabe bei sinkenden Tem-peraturen der Raumluft betrachtet.

Außenbauteile zeigen zunächst die gleiche Wirkung, jedoch wird ihre Speicherfähigkeit durch die Wärmeeinwirkung von außen, vor allem durch direkte Sonneneinstrahlung beeinflußt. Durch Dämpfung und Verzögerung des im Tagesgang wechselnden Wärmedurchgangs von außen nach innen mindern sie die auf den Raum wirkenden Wärmebelastungen.

Wie in Abschnitt 1.21.2 erläutert, genügt bereits die Zufuhr kleiner Wärmemengen zur Erhöhung der Raumlufttemperaturen. Wenn auch in der Regel die direkte Wärmeeinstrahlung in den Raum durch die Glasflächen bei weitem überwiegt, so soll doch der Wärmedurchgang bei großen geschlossenen Aussenwandflächen und Dachdecken so gering wie möglich gehalten werden.
Bei wechselnder Wärmebelastung kann durch das Zusammenwirken von wärrnedämmenden und wärmespeichernden Bauteileigenschaften der Wärmedurchgang durch Aussenbauteile in besonderem Maße verringert werden.
Aufgrund der entsprechend dem Sonnengang immer zeitlich begrenzt auftretenden Wärmebelastungen kann die Wärmemenge, welche an der Bauteilinnenoberfläche an die Raumluft abgegeben wird, außer durch Dämmung vor allem durch zeitweise Speicherung im Bauteil selbst herabgesetzt werden. Je weniger Wärme in das Bauteil eindringen und je mehr von der eingedrungenen Wärme im Bauteil selbst gespeichert werden kann - und bei sinkenden Außentemperaturen nach außen wieder abfließt - desto weniger Wärme tritt an der Bauteilinnenfläche in den Raum aus.
Die reine Wärmespeicherung wirkt sich dabei wieder nur dämpfend und verzögernd auf die wechselnden Wärmeströme aus, den Durchgang von Wärmeenergie bei andaurndem Temperaturgefälle verringert sie nicht. (Vergl. Abb. 33)

1.3.2 Grundlagen zur Bemessung von Außenwänden und Dachdecken

Zur Beurteilung von Außenbauteilen bei instationärem Wärmedurchgang von außen nach innen dienen die beiden Kenngrößen Phasenverschiebung und Temperatur-Amplitudendämpfung, zwischen denen bei einschichtigen Bauteilen ein direkter Zusammenhang besteht.

1.3.2.1 Phasenverschiebung F

Der Wärmedurchgang durch das Bauteil benötigt Zeit; zwischen dem äußeren Temperaturmaximum und dem Auftreten der Maximaltemperatur auf der inneren Bauteilfläche liegt ein zeitlicher Abstand. Er wird als Phasenverschiebung F (Phi) der Temperaturmaxima und damit der gesamten Temperatur-Amplitude bezeichnet und in Stunden (h) angegeben.

Bei entsprechend hoher Phasenverschiebung werden äußere Wärmebelastungen während des Tagesverlaufs erst zu einer Zeit an der Wandinnenseite wirksam, in der bereits wieder niedrige Außentemperaturen herrschen und eine Abkühlung des Raumes durch Fensterlüftung möglich ist.

Eine große Phasenverschiebung ergibt sich aus hohem Wärmedurchlaßwiderstand 1/L des Außenbauteils und hoher Wärmeeindringzahl b des Baustoffs.

Sehr leichte Außenwände haben eine Phasenverschiebung von weniger als 3 Stunden, schwere Außenwände mit genügend hohem Wärmedurchlaßwiderstand, z.B. Mauerwerkswände, erreichen ideale Werte um 12 h. Bei Konstruktionen mit nur mäßig hoher Phasenverschiebung von 4 bis 6 h läßt sich durch entsprechenden Schichtenaufbau ein voller Ausgleich durch die Dämpfung der Temperatur-Amplituden erreichen (vergl. 5.1 in Abb. 34)

1.3.3 Konstruktionsvergleiche

Die Abhängigkeiten der Temperatur-Amplitudendämpfung und Phasenverschiebung von den Baustoffeigenschaften und dem konstruktiven Aufbau ist den Vergleichen in Abb. 34 und Abb. 35 zu entnehmen;

1. Hoher Wärmedurchlaßwiderstand ohne Wärmespeicherfähigkeit (Nr.1, Styropor) oder hohe Wärmespeicherfähigkeit mit geringer Wärmedämmung (Nr.2 Beton) bewirken gleich geringe Amplitudendämpfung wie Phasenverschiebung.
   
2. Einschichtige Bauteile mit gleichermaßen guten Dämm- und Speichereigenschaften erreichen die volle Phasenverschiebung bei gleichzeitig guter Amplitudendämpfung (Nr.3, Holz und Nr.4, Hochlochziegel).
   
3. Mehrschichtige Konstruktionen mit Trennung der Funktionsschichten erreichen bei außenliegender Wärmedämmschicht die höchste Amplitudendämpfung, die unabhängig von der Phasenverschiebung die auf der Raumseite austretende Wärmemenge bestimmt (Nr.5.1, Beton mit Außendämmung, im Gegensatz zu den anderen Beispielen der Abb.34 und im Vergleich zu Abb.35 ).

1.3.4 Außenwände

Der vorstehende Vergleich zeigt eindeutig, daß eine große Amplitudendämpfung durch eine mehr-schichtige Konstruktion aus einer innenliegenden Schicht mit hoher Speicherkapazität und einer äußeren Schicht mit guter Wärmedämmung erreicht wird. Bei großer Wärmeeindringzahl der Innenoberfläche hat eine solche Konstruktion den anfangs erwähnten Vorteil, daß sie - solange ihre Speicherkapazität von außen her nicht ausgelastet ist - auch Wärme aus der Raumluft aufnehmen kann.

Bei konsequenter Trennung in dämmende und speichernde Bauteilschichten ist die Phasenverschiebung geringer als bei Verwendung von gleichzeitig dämmenden und speicherfähigen Baustoffen. Eine entsprechend dem Tagesgang optimale Phasenverschiebung von 10 - 12 Stunden ist mehrschichtig mit konstruktiv und wirtschaftlich vertretbaren Bauteildicken nicht erreichbar, aber auch nicht erforderlich, da sie bei hoher Amplitudendämpfung von geringer Bedeutung ist. Eine Phasenverschiebung von 6 - 8 Stunden ist bei genügender Amplitudendämpfung als ausreichend anzusehen, da die Sonneneinstrahlungsdauer für Außenwände höchstens 6 - 8 Stunden beträgt und sich bei dieser Phasenverschiebung die stärksten Wärmebelastungen in der Regel erst später auswirken, wenn bereits wieder niedrigere Außentemperaturen herrschen, so daß eine Abkühlung der Räume durch Fensterlüftung möglich ist.

1.4 Auswirkung der Wärmespeicherung im Winter

Auch im Winter bewirkt die Wärmespeicherung ein ausgeglichenes Raumklima; starke Temperaturschwankungen der Raumluft durch wechselnde Belastung - schnelle Aufheizung bei Besonnung oder schnelle Auskühlung bei Fensterlüftung - werden vermieden. Im Hinblick auf die Energieeinsparung kann hierzu jedoch keine pauschale Aussage gemacht werden. Die stets dämpfende und verzögernde Wirkung der Außenwand und Speicherfähigkeit der Innenbauteile kann nur im Zusammenhang mit Nutzung, Art der Wärmedämmung und Regelung der Heizanlage gesehen werden.