Wärmespeicherung

Planungsregeln

Sommerlicher Wärmeschutz
Bei Gebäudestandorten in unseren Breiten ist es möglich, Gebäude so zu planen und zu bauen, dass der Komfort auch während hochsommerlicher Hitzeperioden ohne zusätzlichen Energieaufwand gewährleistet ist. Räume in solchen Gebäuden zeichnen sich dadurch aus, dass sie auch während extrem heißer Witterungsperioden nicht zur Überwärmung neigen, sofern die Sonnenschutzeinrichtungen zweckentsprechend verwendet und sinnvolle Lüftungsstrategien angewendet werden. Es scheint nahe liegend, der Überwärmungsneigung von Räumen mittels Einsatz von Klimageräten entgegen zu treten. Selbst bei geglückten Klimatisierungskonzepten haftet einer solchen "Lösung" aber der Nachteil an, dass mit der Notwendigkeit zur Kühlung ein nicht unerheblicher, zusätzlicher Energieaufwand und wiederkehrender Wartungsaufwand verbunden ist, der je nach Gebäudekonzeption und Lage den Heizwärmebedarf eines Gebäudes deutlich übersteigen kann (vor allem im Nicht-Wohnbau).

Nach OIB Richtlinie 6 (Fassung April 2007 und Fassung Oktober 2011) ist die sommerliche Überwärmung von Gebäuden ist zu vermeiden. Bei Neubau und größerer Renovierung von Wohngebäuden ist die ÖNORM B 8110-3 (Wärmeschutz im Hochbau Teil 3: Vermeidung sommerlicher Überwärmung) einzuhalten.

Bei ununterbrochen genutzten Wohngebäuden sind im Regelfall gut wärmespeichernde Materialien günstiger, da sich dann ein angenehmeres sommerliches Innenklima ergibt. Die Wärmespeicherung bewirkt, dass die Räume während eines Sommertages eine kleinere Tagesschwankung und geringere Temperaturspitzen der Raumtemperatur haben. Die Wände geben dafür einen Teil der gespeicherten Wärme durch Lüftung während kühlerer Nachtstunden und Morgenstunden wieder ab.


Auskühlkennzeit
Schwankungen der Außentemperatur bzw. der Sonneneinstrahlung sollen sich innerhalb der Bauten möglichst wenig auswirken. Wie stark sich solche Schwankungen innerhalb der Bauten bemerkbar machen, wird durch die "Wärmeträgheit" der Bauteile bestimmt. Bei entsprechender Wärmespeicherfähigkeit der Bauteile werden die Temperaturspitzen im Freien nur gedämpft und zu einem späteren Zeitpunkt im Raum bemerkbar, d.h. die Temperatur-Spitzen- bzw. -Tiefstwerte treten auf der Innenseite zeitlich verschoben gegenüber der Außenseite des Bauteils auf. Man spricht von "Temperatur-Amplitudenverhältnis" und "Phasenverschiebung". Die Auskühlkennzeit eines Bauteiles ist der Wert, der das Auskühlverhalten einer Wand bei Aussetzen der Heizung im Winter oder deren Anheizverhalten bei Erwärmung der äußeren Bauteiloberfläche durch Sonnenbestrahlung im Sommer kennzeichnet.


Bemessungsregel
Eine einfache Bemessungsregel besagt, dass ein besonnter Raum ca. 60 % der einfallenden Sonnenenergie speichern können soll. Man unterscheidet hierbei zwischen der sogenannten "Primär-Speicherung" (die in den Raum einfallende Sonnenstrahlung trifft direkt auf die Speichermasse) sowie der "Sekundär-Speicherung" (wenn die Wärmeübertragung über die Raumluft geschieht). Die empfohlene Fläche der Primär-Speichermassen soll mindestens das Dreifache der Fensterfläche in einem Raum betragen, wobei die empfohlene Mindestdicke der wärmespeichernden massiven Bauteile 10 bis 20 cm beträgt. Die Fläche von Sekundär-Speichermassen sollte 8 bis 10 mal größer sein als die Fensterfläche, wobei hier bereits eine Dicke von 7 bis 15 cm als ausreichend angesehen wird.

 

Nachweise gemäß ÖNORM B 8110/Teil 3

Die ÖNorm B 8110, Teil 3, befasst sich mit der Bewertung des Speichervermögens von Bauteilen hinsichtlich der

  • Vermeidung von Temperaturschwankungen
  • Vermeidung sommerlicher Überwärmung und
  • Einsparung von Heizenergie, Erhöhung des solaren Heizenergiebeitrages und Verkürzung der Anheizzeiten.

Durch Berechnungen und praktische Versuche wurden für unterschiedliche Baukonstruktionen wirksame Speichermassen ermittelt, die in Tabellen und Diagrammen im Anhang B der Norm dargestellt sind.

Grundlage der Berechnungen nach dieser Norm sind die sogenannten "Immissionsflächen", das sind im wesentlichen die Flächen der Fenster mit Korrekturen zur Berücksichtigung des Rahmenanteils, von Verschattungseinrichtungen und inneren Wärmequellen etc.

Hat man diese Vorarbeiten geleistet, sind folgende Nachweise zu führen:

1. Beurteilung der sommerlichen Überwärmung
Sommerliche Überwärmung wird als vermieden betrachtet, wenn die empfundene Raumtemperatur in dem betrachteten Raum während einer Hitzeperiode festgelegte Grenztemperaturen nicht überschreitet. 

Diese Grenztemperatur t* beträgt für die Nutzungszeit

am Tage + 27 °C
in der Nacht + 25 °C

Der Nachweis kann entweder durch Berechnung des Tagesverlaufes der Raumtemperatur erbracht werden oder dadurch, dass die vorhandene speicherwirksame Masse (Ermittlung mit Hilfe der oben erwähnten Tabellen und Diagramme) einen bestimmten Mindestwert überschreitet.


1.1  Nachweis über den Tagesverlauf der Raumtemperatur

Der Nachweis der Unterschreitung der Grenztemperaturen kann durch Ermittlung des Tagesverlaufes der Raumtemperatur (tBER) und Erfüllung der Bedingung

tBER<= t*

erbracht werden. Zur Ermittlung des Verlaufes der Raumtemperatur ist ein geeignetes Rechenprogramm zu verwenden. Geeignet ist ein Rechenprogramm dann, wenn es die Anforderungen der ÖNORM EN ISO 13791 (in Vorbereitung) erfüllt.


1.2  Nachweis über die mindesterforderliche speicherwirksame Masse

Die Unterschreitung der Grenztemperaturen gilt auch dann als gesichert, wenn der Sonnenschutz, die der Bauweise entsprechende speicherwirksame Masse sowie die Lüftung den Mindestanforderungen der Tabelle Mindesterforderliche immissionsflächenbezogene speicherwirksame Masse entsprechen.

Die erforderliche speicherwirksame Masse und die mindesterforderliche Lüftung (stündlicher Luftvolumenstrom) eines Raumes werden auf die Summe der Immissionsflächen bezogen (siehe Tabelle Mindesterforderliche immissionsflächenbezogene speicherwirksame Masse)

Tabelle: Mindesterforderliche immissionsflächenbezogene speicherwirksame Masse mw,Al in Abhängigkeit vom immissionsflächenbezogenen stündlichen Luftvolumenstrom VL,s

Immissionsflächenbezogener
stündlicher Luftvolumenstrom

Immissionsflächenbezogene
speicherwirksame Masse
mw,l2) in kg/m2

>=100

>=2000

75

>=4000

501)

>=8000

1) Immissionsbezogene Luftvolumenströme
von weniger als 50 m3/(h*m2) führen zu einem hohen
Überwärmungsrisiko und sind daher grundsätzlich zu vermeiden.

2) Im Bedarfsfall zu interpolieren

Bei der Berechnung der Immissionsfläche Al sind die ZON-Faktoren der Tabelle Glasflächenorientierung zu berücksichtigen.


Tabelle: Luftwechselzahl in Räumen, Raumverbänden (z.B. Wohnungen) in Abhängigkeit von der Lage der Fenster (in ein, zwei oder mehreren Fassaden- bzw. Dachebenen) und von der Flügelstellung unter Sommerbedingungen

Anzahl der Fassaden- oder
Dachebenen mit Lüftungsöffnungen
Luftwechselzahl in 1/h
bei voller Öffnung der Lüftungsflügel
Eine Fassadenebene 1,50
Zwei Fassadenebenen 2,50
Drei oder mehrere Fassadenebenen
(Reihenhaus, freistehendes Einfamilienhaus)
3,00


Ermittlung des immissionsflächenbezogenen stündlichen Luftvolumenstromes VL,s aus der Luftwechselzahl nL gemäß Tabelle Luftwechselzahl erfolgt gemäß folgender Formel:

Hierin bedeutet:

VL,s...immissionsflächenbezogener stündlicher Luftvolumenstrom in m3/(h*m2)
NL...Luftwechselzahl in 1/h
V...Volumen des Raumes in m3
Al...Immissionsfläche in m2


2. Beurteilung der passiven Sonnenergiegewinne
Zur Erhöhung der Nutzbarkeit des solaren Wärmeangebotes ist in regelmäßig beheizten Gebäuden (Räumen) nachzuweisen, dass die berechnete speicherwirksame Masse größer oder gleich 2.800 kg pro m2 Fensterfläche beträgt.


3. Einsparung von Heizenergie, Verkürzung der Anheizzeit
Hierbei wird die speicherwirksame Masse auf das vorhandene Raumvolumen bezogen und es kann für selten oder nicht kontinuierlich beheizte Gebäude nachgewiesen werden, dass ein Wert von < 100 kg pro m3 erreicht wird.

4. Nachweis des Auskühlverhaltens
Dabei wird nachgewiesen, wie lange das Auskühlen von Bauteilen dauert, um im Sommer untertags kühl zu bleiben bzw. im Winter bei Absenken der Raumtemperatur warm zu bleiben. Die errechnete Auskühlkennzeit soll größer sein als die mindesterforderliche Auskühlkennzeit. Diese beträgt für Außenwände mindestens 23 Stunden, für Außendecken mindestens 37 Stunden.

 

Berechnungsbeispiele

1. Berechnung der speicherwirksamen Masse der Bauteile:

Südorientiertes Wohnzimmer mit Abschattungsmöglichkeit durch Rolläden

mw,B=mw,B,A·A (in kg)

Hierin bedeutet:
mw,B speicherwirksame Masse eines Bauteiles (in kg)
mw,B,A flächenbezogene speicherwirksame Masse eines Bauteiles (in kg/m2)
A Bauteilfläche (in m2)

Die speicherwirksame Masse des Bauteils wird mit Hilfe von Diagrammen aus der ÖNORM
B 8110-3 bzw. aus Tabelle speicherwirksame Masse ermittelt:

Außenwand 38 cm Hohlziegelmauerwerk (1000 kg/m3) mit KZM verputzt
Innenwand 1 25 cm Hohlziegelmauerwerk (1400 kg/m3) mit KZM verputzt
Innenwand 2 12 cm Zwischenwandziegel (1100 kg/m3) mit KZM verputzt
Decke oben 20 cm Ziegeldecke (1500 kg/m3) verputzt
Fußboden 6 cm Estrich (Decke wegen Trittschalldämmung vernachlässigt)
Fenster, Tür, Einrichtung vernachlässigt

 

  Fläche flächenbzg.
speicherw. Masse
speicherw.
Masse
A (m2) mw,B,A (kg/m2) mw,B (kg/m2)
Außenwand: 15 80 1.200  
Innenwand 1: 17 99 1.683  
Innenwand 2: 12 71 852  
Decke oben: 25 100 2.500  
Fußboden: 25 67 1.675  
Fenster, Tür, Einrichtung vernachlässigt        
Summe (gesamte Speicherwirksame Masse des Raumes mw in kg)     7.910  

 2. Nachweis der Vermeidung einer sommerlichen Überwärmung

Immissionsflächen zu Beurteilung der sommerlichen Überwärmung:

Al=AAL·fG·g·ZON·z +As+AT (in m2)

Hierin bedeutet:

Al Immissionsfläche (in m2)
AAL durch Architekturlichte gegebene Fensterfläche (in m2)
fg Glasflächenanteil (Glasfläche im Verhältnis zur Architekturlichte)
g Gesamtenergiedurchlaßgrad gemäß ÖNORM B 8110-3 (siehe Sonnenenergiedurchlässigkeit transparenter Bauteile)
ZON Orientierungs- und Neigungsfaktor (siehe Faktoren zur Berücksichtigung der Glasflächenorientierung und -neigung)
z Abminderung einer Abschattungseinrichtung (s. Abminderungsfaktoren von Abschattungsvorrichtungen)
As äquivalente Immisionsfläche für Personenwärme gem. ÖNORM B 8110-3
AT äquivalente Immisionsfläche für technische Wärmequellen gemäß ÖNORM B 8110-3
(siehe Anzunehmende Leistung technischer Wärmequellen)

 

Fenster- und Türfläche bezogen auf Architekturlichte: AAL= 4m2
Glasflächenanteil: fG= 0,7
Doppelverglasung: g= 0,75
Südfenster 180° ZON= 1
Abschattung durch Rolläden z= 0,32

Al=4·0,7·0,75·1·0,32=0,67 m2
(ohne technische Wärmequellen und ohne Personenwärme)

mw,l=mw/Al=7910/0,67=11.806 kg/m2

Die Bedingung einer immissionsflächenbezogenen speicherwirksamen Masse von
mw,l > 8000 kg/m2 (für einen immissionsflächenbezogenen stündlichen Luftvolumenstrom VL,s von 50m3/h*m2) ist erfüllt. Eine sommerliche Überwärmung des Raumes ist nicht zu erwarten


3. Nachweis des solaren Heizenergiebeitrages:

Immissionsflächen zur Beurteilung der Nutzbarkeit des solaren Wärmeangebotes:

Al=ASF+AS+AT (in m2)

Hierin bedeutet:

Al Immissionsfläche (in m2)
ASF Immissionsfläche eines Sonnenfensters (in der Heizperiode Unbeschattete SO bis SW orientierte Fenster)
  ASF=AAL·fG·g (in m2)
AAL durch Architekturlichte gegebene Fensterfläche (in m2)
fg Glasflächenanteil (Glasfläche im Verhältnis zur Architekturlichte)
g Gesamtenergiedurchlaßgrad gemäß ÖNORM B 8110-3 (siehe Sonnenenergiedurchlässigkeit transparenter Bauteile)
AS äquivalente Immissionsfläche für Personenwärme gem. ÖNORM B 8110-3
AT äquivalente Immisionsfläche für technische Wärmequellen gemäß ÖNORM B 8110-3
(siehe Anzunehmende Leistung technischer Wärmequellen)
Fenster- und Türfläche bezogen auf Architekturlichte: AAl= 4m2
Glasflächenanteil: fG= 0,7
Doppelverglasung: g= 0,75

Al=4·0,7·0,75=2,10 m2 (ohne technische Wärmequellen und ohne Personenwärme)

mw,l=mw/Al=7910/2,1=3767 kg/m2

Die vorhandene speicherwirksame Masse liegt über dem empfohlenen Mindestwert von
2800 kg/m2, sodass mit einer vollen Ausnutzung des solaren Angebotes gerechnet werden kann.

4. Beurteilung der Begrenzung der Anheizzeit

Nachweis entfällt, da es sich um ein ständig beheiztes Gebäude handelt.

5. Nachweis einer mindesterforderlichen Auskühlkennzeit

Die Auskühlkennzeit beträgt für einen einschichtigen Bauteil:


Für einen mehrschichtigen Bauteil ergibt sich die Auskühlkennzeit durch Addition der Speicherwerte der einzelnen Schichten:

 

Hierin bedeutet:
z Auskühlkennzeit (h)
d Bauteildicke (m)
  Bauteildichte (kg/m3)
c Spezifische Wärmekapazität (kJ/kgK)
  Äußerer Wärmeübergangswiderstand (m2K/W)
  Wärmeleitfähigkeit (W/mK)


Beispiel 1

Mauerwerk mit HLZ 38, verputzt

Bauteil Dicke Dichte spez. Wärme-
kapazität
Wärme-
leitfähigkeit
Wärmedurchlaß-
widerstand
  d (m) (kg/m3) c (kJ/kgK) (W/mK) d/ (m2K/W)
Gipsputz 0,015 1400 1,00 0,60 0,025
Ziegel MW 0,380 700 1,00 0,17 2,235
KZM Putz 0,025 1700 1,00 0,90 0,028

R (m2K/W)         2,29
          0,043

Auskühlkennzeit z: 115 Stunden

Die tatsächliche Auskühlkennzeit liegt weit über dem Mindestwert von 23 Stunden.


Beispiel 2:

Leichte Holzwand/z. B. ausgebautes Dachgeschoß

Bauteil Dicke Dichte spez. Wärme-
kapazität
Wärme-
leitfähigkeit
Wärmedurchlaß-
widerstand
  d (m) (kg/m3) c (kJ/kgK) (W/mK) d/ (m2K/W)
Holz außen 0,025 600 2,10 0,15 0,167
Mineralfaser 0,080 30 1,50 0,04 2,000
Holz innen 0,025 600 2,10 0,15 0,167

R (m2K/W)         2,33
          0,043

Auskühlkennzeit z: 22 Stunden

Die tatsächliche Auskühlkennzeit liegt unter dem Mindestwert von 23 Stunden.

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