Untersuchung des Wärmeverhaltens von Wandsystemen mit erheblicher thermischer Masse
Durch die Erhöhung des Wärmeverhaltens von Wandsystemen kann der Energieverbrauch von Gebäuden gesenkt werden. Hierzu gibt es zwei Möglichkeiten: die Erhöhung des thermischen Widerstands der Gebäudehülle und die Erhöhung der thermischen Masse. Üblicherweise konzentrieren sich Energieverordnungen in erster Linie auf die Erhöhung der Energieeffizienz durch Erhöhung des thermischen Widerstands, wobei die thermische Masse aufgrund der Komplexität der transienten Wärmeübertragung weniger Beachtung findet. Da die thermische Masse in Energieverordnungen unberücksichtigt bleibt, wird das Wärmeverhalten von Systemen, wie beispielsweise Ziegelverblendern, je nach regionalem Klima möglicherweise deutlich unterschätzt.
Bei Gebäudehüllen mit thermischer Masse lässt sich der Wärmeübergang durch diese reduzieren, indem sie als Wärme-Akku agieren. Unter positiven Bedingungen nehmen sie am Tag Wärme auf und geben sie dann über Nacht ab. Ist die Wärmekapazität des System groß genug, so wird Wärme vorrangig gespeichert und nicht von dem Werkstoff abgegeben. Die thermische Masse eines Werkstoffs wird durch seine volumetrische Wärmekapazität bestimmt, und die Gesamtwärmespeicherfähigkeit eines Wandsystems ergibt sich aus der volumetrischen Wärmekapazität und der Bauteildicke (bei angenommener eindimensionaler Wärmeübertragung senkrecht zum Wandaufbau). Der Einfluss der thermischen Masse auf den Wärmetransport wird in »1 dargestellt. Der Bereich unterhalb der Kurve in »1 gibt den Gesamtenergieverbrauch eines Wandsystems an. Durch zusätzliche thermische Masse verringert sich die Energieübertragung und führt zur Verzögerung des Spitzenenergieverbrauchs. Zudem ist eine Verzögerung der Spitzenenergie vorteilhaft, da sie nicht während Spitzen beim Strombedarf auftritt.
Keramische Werkstoffe, wie beispielsweise gebrannte Ziegelsteine, sind ein gebräuchliches Bauelement vieler Bauarten. Gebrannte Ziegelsteine werden häufig aus puristischen Gründen bzw. aufgrund der Dauerhaftigkeit gewählt. In den Vereinigten Staaten werden Ziegel traditionell nicht als ein Werkstoff zur Steigerung der Energieeffizienz angesehen. Liberatur über das Wärmeverhalten von handelsüblich hergestellten gebrannten Ziegeln bezieht sich entweder auf Ziegel europäischen Ursprungs oder ist in Bezug auf heute in den USA hergestellte Ziegel veraltert. Um den Energieverbrauch der Gebäudehülle zu verstehen, muss man das Wärmeverhalten aller Bauteile kennen. In der Literatur haben gebrannte Ziegel eine Rohdichte von 1600 – 1900 kg/m3 und eine Wärmeleitfähigkeit von 0,3 – 0,65 W/mK. Diese Rohdichten liegen deutlich unten denen der heutzutage in den USA handelsüblich hergestellten Ziegel und demzufolge werden auch die Wärmeleitfähigkeiten anders sein.
Um eine möglichst große Bandbreite unterschiedlicher thermischer Eigenschaften zu erfassen, wurden Proben von handelsüblich hergestellten Ziegeln von fünf verschiedenen Herstellern mit jeweils unterschiedlichen Rohstoffen beschafft. Angaben zu den für diese Studie ausgewählten Ziegeln sind in »Tabelle 1 enthalten. Die Messung der Wärmeleitfähigkeit der gebrannten Ziegel erfolgte im Heizkastenverfahren (Hot Box)1. Darüber hinaus erfolgte die Charakterisierung der gebrannten Ziegel mittels Röntgenfluoreszenz, Röntgenstrahlbeugung, Quecksilberporosimetrie, optischer Mikroskopie, Wasseraufnahme nach ASTM C67 und Druckfestigkeit nach ASTM C67. Ziel hierbei war, den Einfluss von Zusammensetzung und Mikrostruktur der gebrannten Ziegel auf die thermischen Eigenschaften zu ermitteln.
Die Rohdichten von vier der handelsüblich hergestellten gebrannten Ziegel lagen deutlich über den in der Literatur aufgeführten Werten und hatten somit entsprechend höhere Wärmeleitfähigkeitswerte. Die weitere als WERK 4 (Plant 4) gekennzeichnete Probe wurde mit Zugabe eines Porenbildners hergestellt und wies eine geringere Rohdichte auf. Interessanterweise wies diese Probe jedoch nicht die niedrigste Wärmeleitfähigkeit auf und lag sogar über den in der Literatur angegebenen Werten. Eine der häufig beobachteten Tendenzen in der Literatur ist, dass sich die Wärmeleitfähigkeit mit zunehmender Rohdichte erhöht, in diesem Zusammenhang ist die Streuung jedoch groß. Diese Streuung lässt sich auf unterschiedliche Phasenzusammensetzungen, Brennbedingungen und Mikrostruktur zurückführen2.
Neben den physikalischen Eigenschaften, die sich deutlich voneinander unterschieden, wiesen die handelsüblichen Ziegelsteine auch sehr unterschiedliche Phasenzusammensetzungen auf. Die Ergebnisse der Röngtenstrahlenbeugung werden in »2 dargestellt. Hierbei zeigen sich bei den gebrannten Ziegeln sehr verschiedenartige Phasenzusammensetzungen. Die gemeinsamen Phasen bei den fünf gebrannten Ziegeln waren Quarz, Hämatit sowie eine amorphe oder glänzende Phase. Mit Ausnahme des Ziegels aus Werk zwei enthielten sie auch erhebliche Mengen Mullit. Der Quarzgehalt bei den handelsüblichen Proben reichte von 20 bis 55 %, die Mullitkonzentration schwankte zwischen 0 und 36 % und der Amorphanteil lag bei 12 bis 40 %. Diese breite Phasenzusammensetzung hatte einen erheblichen Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit der Proben, was anhand von Laborproben ermittelt wurde.
Nach der Charakterisierung der handelsüblich gefertigten Ziegel erfolgte der Brennprozess zur Ermittlung der Brenntemperaturen für weitere Untersuchungen der einzelnen Ziegelarten. Um die Bandbreite der Eigenschaften zu erweitern, wurden die Formlinge absichtlich unter- bzw. überbrannt und damit die Porosität des Endprodukts wesentlich verändert. Die Ergebnisse dieser Unter- bzw. Überbrennung der Formlinge werden in »3 für jedes Werk dargestellt.
Das Sinterverhalten der Ziegel aus den einzelnen Werken unterschied sich aufgrund der unterschiedlichen Rohstoffe. Der rote Ziegel aus Werk 2 wies eine Feldspatbeimengung auf, was zu einer geringeren Brenntemperatur führte. Bei dem Werkstoffe aus Werk 4 mit Porenbildner wurde nur eine moderate Veränderung der Porosität mit der Brenntemperatur und keine vollständige Verdichtung festgestellt. Dies lag daran, dass die durch die Zersetzung des Porenbildners erzeugten Poren deutlich größer waren und sich nicht nennenswert verschlossen hatten.
Die Wärmeleitfähigkeit des im Labor gebrannten Ziegels variierte deutlich sowohl zwischen den Gruppen als auch innerhalb einer Gruppe. Dies wurde auf Veränderungen der Porosität, der Phasenzusammensetzung sowie die Mikrostruktur des gebrannten Werkstoffs zurückgeführt. Die im Rahmen dieser Studie gemessenen Werte der Wärmeleitfähigkeit deckten einen deutlich größeren Bereich ab als die in der Literatur2,3 aufgeführten Werte. Dies wird in »4 abgebildet. Die Rohdichten der im Rahmen dieser Studie gebrannten Ziegel lagen über den zuvor in der Literatur gemessenen Werten und die Wäremleitfähigkeiten waren folglich höher. In Kombination dieser Daten mit vorhandener Literatur konnte durch die Erweiterung des Bereichs der gemessenen Wärmeleitfähigkeiten eine nicht linearer Verlauf der Rohdichte festgestellt werden. Ein ähnlicher nicht linearer Verlauf wird in der Literatur für Beton aufgezeigt4.
Obwohl in »4 die Rohdichte im Vergleich zur Wärmeleitfähigkeit abgebildet wird, ist die Porosität für die Senkung der Wärmeleitfähigkeit verantwortlich. Die Lufteinschlüsse in den Poren haben eine wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeit als die umgebenden Feststoffe, was zu einer geringeren Gesamtwärmeleitfähigkeit führt. Bei jedem Rohstoff hatte die Erhöhung der Brenntemperature eine lineare Abnahme der Porosität des Werkstoffs zur Folge. Es wurde festgestellt, dass sich die Wärmeleitfähigkeit mit der Brenntemperatur aufgrund der Abnahme der Porosität erhöhte. Der Zusammenhang zwischen Porosität und Wärmeleitfähigkeit wird in »5 dargestellt.
Nur bei einer Gruppe zeigte sich bei steigender Porosität eine lineare Verringerung der Wärmeleitfähigkeit. Bedeutend hierbei war, dass der Anstieg der Trendlinie in allen fünf Gruppen nahezu gleich war und sich daraus schließen lässt, dass der Einfluss der Porosität auf die Wärmeleitfähigkeit des Endprodukts unabhängig von der Zusammensetzung der Festphase war. Dies war von Bedeutung, da es die Vorausberechnung der Wärmeleitfähigkeit ermöglichte, wenn die Wärmeleitfähigkeit der Festphase bekannt war.
Der Unterschied zwischen der Wärmeleitfähigkeit der in »5 dargestellten fünf Gruppen hängt mit der Phasenzusammensetzung sowie der Mikrostruktur der Proben zusammen. Bei Werkstoffen mit hoher Wärmeleitfähigkeitsphase, wie beispielsweise Quarz, und geringe Mengen amorpher Phasen, wiesen in der Festphase höhere Wärmeleitfähigkeiten gegenüber den Werkstoffen mit einem beträchtlichen Anteil an amorpher Phase auf. Das liegt daran, dass Quarz eine Wärmeleitfähigkeit von circa 7,7 W/mK aufweist, während die amorphe Phase eine Wärmeleitfähigkeit von circa 1,4 W/mK hat. Die Abschätzung der Wärmeleitfähigkeit in der Festphase erfolgte anhand des geometrischen Mittelwerts der Wärmeleitfähigkeit jeder konstituierenden Phase. Zur Berechnung wurde Gleichung 1 angewandt:
Mit ki gleich Wärmeleitfähigkeit und ci gleich Konzentration der konstituierenden Phase. Die Konzentration jeder Phase wurde mittels Röntgenstrahlbeugung gemessen. Die Anwendung von Gleichung 1 führt jedoch zu einer deutlichen Diskrepanz zwischen gemessener und berechneter Wärmeleitfähigkeit in der Festphase. Der Grund für diese Diskrepanz war, dass die mikrostrukturellen Auswirkungen in der Berechnung nicht berücksichtigt wurden. Das wichtigste mikrostrukturelle Merkmal in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit war die Korngröße. Das Vorhandensein von Korngrenzen innerhalb des Werkstoff trägt zur Verringerung der effektiven Wärmeleitfähigkeit der Festphase aufgrund des an den Grenzen vorhandenen Grenzflächenwiderstands bei5. Je kleiner die Korngröße des Werkstoffs, desto mehr Korngrenzen sind vorhanden und desto geringer ist die effektive Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs. Der Einfluss der Korngrenzen wird in »6 dargestellt. In Gleichung 2 wird die Gleichung für diese Korngrenzen-Korrektur aufgestellt:
Mit ks gleich Wärmeleitfähigkeit der Festphase, a gleich Korngröße, hc gleich Korngrenzen-Konduktanz (Kehrwert des Korngrenzen-Widerstands) und keff gleich korregierte effektive Wärmeleitfähigkeit der Festphase. Wie »5 zeigt, werden Werkstoffe mit einer Korngröße von cicra 10 μm eine Verringerung der Wärmeleitfähigkeit der Festphase um fast zwei Drittel aufweisen. Dies impliziert, dass der Grenzflächenwiderstand innerhalb des Werkstoffs einen wesentlichen Anteil am gesamten thermischen Widerstands darstellt.
Der dimensionslose Kennwert ks/ahc. ist die maßgebliche Größe aus Gleichung 2. Dieser Parameter stellt einen Zusammenhang zur Anzahl der Korngrenzen (1/a), dem Korngrenzen-Widerstand (1/hc) und der Wärmeleitfähigkeit der Festphase zueinander her. Der Wert der Korngrenzen-Konduktanz (hc) wurde als 1.3∙106 W/m2K angenommen. Um feststellen zu können, ob die Ausbreitung der Wärmeleitfähigkeiten in den verschiedenen Gruppen durch diese Korrektur erklärt werden könnte, wurden für ks verschiedene Werte bei einer festen Korngröße gewählt. Die Ergebnisse hieraus werden in »7 aufgezeigt. Bei dieser Berechnung wurde eine Körngröße von 6 μm angesetzt, die mittels optischer Mikroskopie ermittelt wurde. Zur Berechnung der effektiven Wärmeleitfähigkeit wurde hier das geometrische Mittelwerts-Modell bei gegebenen Eigenschaften der Fest- und Luftphasen verwendet. Bei Nichtanwendung der Korngrenzen-Korrektur würde die obere Kurve einer Wärmeleitfähigkeit von nur 3,5 W/mK in der Festphase entsprechen und damit deutlich unter der berechneten Wärmeleitfähigkeit der Festphase eines gebrannten Ziegels bei Anwendung von Gleichung 1 liegen. Die nach Gleichung 1 berechnete Wärmeleitfähigkeit der Festphase stimmt mit den Versuchsdaten bei Einbeziehung der Korngrenzen-Korrektur überein. Aufgrund der sich verändernden Phasenzusammensetzung des Werkstoffs, der Korngröße und der Porosität des Werkstoffs konnte die Wärmeleitfähigkeit mit angemessener Genauigkeit vorausberechnet werden. Der Vergleich zwischen vorausberechneter und gemessener Wärmeleitfähigkeit wird in »8 für alle in dieser Studie bewerteten Proben dargestellt.
Wandaufbauten bestehen jedoch aus mehr als nur gebrannten Ziegeln. Im Wohnungs- und Gewerbebau mit Ziegelverblendung in den USA befinden sich hinter den Ziegelverblendern üblicherweise entweder eine Holz- oder Stahlrahmenwand. Diese Fachwerkwand sorgt für zusätzlichen thermischen Widerstand, aber nur geringe thermische Masse. Eine schematische Darstellung eines typischen Wandsystems mit Ziegelverblendern wird in »9 dargestellt. Um das Wärmeverhalten eines Wandsystems zu untersuchen, wurde das stationäre und dynamische Wärmeverhalten dieser Wandsysteme anhand eines modifizierten Heizkastens gemessen. Bei diesem Heizkastenverfahren werden mehrere Wärmestromwandler verwendet, um die Wärmestromdichte durch den Wandaufbau zu messen, statt sich auf die Messung des Energieeintrags in die Kasten selbst zu verlassen. So konnten das Einschwingverhalten des Kastens aus der Messung eliminiert werden. Dieses Heizkastenverfahren entspricht der in Norm EN 1934:1998-036 beschriebenen Methode. Um sicherzustellen, dass die Wärmestromwandler die Messung des Wandaufbaus nicht beeinflussen, wurde der Heizkasten mit einem Wärmeflussmesser kalibriert.
Zur Bestimmung der Temperaturabhängigkeit des thermischen Widerstands jedes einzelnen Systems wurde jedes Wandsystem unter vier verschiedenen stationären Bedingungen getestet. Danach wurden fünf Tage lang dynamische Tests bei simuliertem Tag-Nacht-Zyklus an den Außenseiten des Wandsystems durchgeführt. Dieser “Sol-Air”-Zyklus imitiert die Wirkung von Sonneneinstrahlung und dynamischer Lufttemperatur, wie bei einem Wandsystem an der Außenseite7. Diese hohen Temperaturschwankungen ermöglichen die Quantifizierung des Wärmemassevorteils bei einem üblichen Temperaturzyklus. Die dynamische Leistung wurde durch Messung der Gesamtwärmeübertragung an der Innenseite der Wandoberfläche beziffert. Wände mit unterschiedlichem thermischen Widerstand und thermischer Masse zeigten ein deutlich unterschiedliches Verhalten auf den angewendeten Zyklus. Je mehr thermischen Widerstand und thermische Masse ein Wandsystem aufwies, desto kleiner war die Wärmeübertragung auf die Innenseite des Wandsystems. Diese Ergebnisse werden in »10 graphisch dargestellt. Neben der geringeren Gesamtwärmeübertragung war die Zeit, zu der die Spitzenenergie eintrat, bekannt als Zeitverzögerung, auch bei Wänden mit mehr thermischer Masse deutlich größer.
Die Ergänzung einer Holzfachwerkwand eines Wohngebäude mit Ziegelverblendern führte unter stationären Bedingungen zu einem Anstieg des thermischen Widerstands um circa 13 %, bei gleichzeitiger Senkung der dynamischen Wärmeübertragung um 50 %. Die Verringerung der Energieübertragung im Rahmen des dynamischen Temperaturzyklus zeigt den Nutzen, der erzielt werden kann, wenn thermische Masse im Wandaufbau enthalten ist. Dieser thermische Massenutzen lässt sich jedoch aufgrund der komplexen Wechselwirkung zwischen der Umgebung und den Bauteilen des Wandsystems nur schwer vorausberechnen. Durch den im Heizkastenverfahren angewandten Zyklus wird der Einfluss der thermischen Masse hervorgehoben. Unter realistischen Bedingungen gibt es jedoch Zeiträume, in denen das Wandsystem Bedingungen unterliegt, in denen die stationäre Leistung genauer ist und auch Zeiten, in denen der thermische Massenutzen groß ist. Die realistische Leistung wird irgendwo zwischen dem Vergleich aus stationären und dynamischen Ergebnissen aus den Untersuchungen im Heizkastenverfahren liegen.
Um das Verhalten des Wandsystem unter realen Bedingungen genauer bestimmen zu können, wurde ein benutzerdefiniertes FEM-Programm entwickelt, bei dem Klimamesswerte zur Modellierung der Leistung des Wandsystems unter diesen Bedingungen genutzt wurden. Das Modell wurde anhand der ANSYS-Software auf numerische Genauigkeit sowie mit stationärem und dynamischem Heizkasten-Tests auf experimentelle Genauigkeit überprüft. Durch die Möglichkeit, Wandsysteme zu simulieren, lässt sich bestimmen, wie viel thermische Leistung eines Wandsystems auf die thermische Masse entfällt. »9 zeigt, dass bei der Wohngebäudewand mit Ziegelverblendern die Energieübertragung allein durch die thermische Masse um bis zu 54,5 % reduziert wird. Werden die Ziegelverblender entfernt, so führt die thermische Masse der Fachwerkwand zu einer Reduzierung des Energietransfers von 10,7 %. Obwohl die Fachwerkwand im Vergleich zum Ziegelverblender über wenig thermische Masse verfügt, führt ihr Einbau an der Innenseite des Wandaufbaus zu einem größeren relativen Einfluss auf die Wärmeübertragung.
Die Modellierung der Wohngebäudewand mit Ziegelverblendern unter Nutzung der Klimadaten aus Atlanta, Georgia, führte zu einigen interessanten Ergebnissen. Zum einen hat die Ausrichtung der Wand einen erheblichen Einfluss auf den jährlichen Wärmedurchgang. Eine nach Süden ausgerichtete Ziegelwand weist trotz der zusätzlichen thermischen Belastung durch die Sonne den geringsten Energieverbrauch auf. Dies steht im Gegensatz zu einem Leichtbauwandsystem, bei dem der höchste Energieverbrauch auf der Südseite liegt. Die thermische Masse des Systems ermöglicht es, die Sonneneinstrahlung zu absorbieren und den Energieverlust während den Nachtstunden zu reduzieren.
Ziel der Untersuchungen an verschiedenen Wandsystemen mit dem Heizkastenverfahren war, den Einfluss der verschiedenen Außenverkleidungen auf den Gesamtenergieverbrauch des Wandsystems zu beziffern. Anhand des Heizkastenverfahrens war es möglich, die durch die Verkleidung bewirkten stationären und dynamischen Verhaltensänderungen zu bestimmen. Durch Einbeziehung des Modellierungswerkzeugs wurde ein voraussichtlicher realer Vergleich zum Einfluss der Verkleidung auf das Verhalten des Systems möglich. In »11 werden die Ergebnisse aufgeführt. Erwartungsgemäß bietet der stationäre Vergleich in den meisten Fällen die geringste Verbesserung gegenüber der Referenzwand und die dynamischen (“Sol-Air”)-Ergebnisse führen im günstigsten Fall zu einer Verbesserung durch die thermische Masse. Der voraussichtliche jährliche Einfluss der Verkleidung liegt irgendwo zwischen den beiden, wobei sich Systeme in günstigen Klimazonen und thermische Masse mehr in Richtung der dynamischen Leistungsverbesserungsmetrik bewegen.
Das eigentliche Ziel der Untersuchung war es zu erkennen, wie sich die Leistungsfähigkeit von Wandsystemen mit Ziegelverblendern optimieren lässt; insbesondere wie sich die Werkstoffeigenschaften der Ziegel auf den Energieverbrauch des Wandsystems insgesamt auswirken. Mit Hilfe des FEM-Programms in Verbindung mit den für gebrannte Ziegel gemessenen thermischen Eigenschaften wurden zwei Wandtypen bei gleichem dynamischem Zyklus simuliert und im Heizkastenverfahren getestet. Zum einen eine Ziegelverblendung als alleiniges Bauteil und zum zweiten ein Wohngebäudewandaufbau mit Ziegelverblender. Dabei wurde der Einfluss der Werkstoffeigenschaften auf die Energieübertragung untersucht. Es wurde festgestellt, dass bei der nur aus Ziegeln bestehenden Wand die Wärmediffusität als einziger Parameter den Energieverbrauch beeinflusste. Dies wird in »12 aufgezeigt. Die Energieübertragung wurde linear zum Kehrwert der Wärmediffusität skaliert. Bei der Wohngebäudewand mit Ziegelverblendern in Abbildung 9 war der Einfluss der thermischen Eigenschaften des Ziegels auf die Leistung des Systems jedoch komplexer. Dies lag an der Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Schichten sowie der Positionierung der Masse, was nicht unbedeutend war. Dennoch konnte der Einfluss des Ziegels auf das System als Ganzes festgestellt werden. Der Zusammenhang wird in Gleichung 3 dargestellt:
wobei α die Wärmediffusität ist und ε der Wärmeeindringungskoeffizient des gebrannten Ziegels. Das Auftreten eines zusätzlichen Parameters war hier etwas überraschend, ergibt aber Sinn. Der Wärmeeindringungskoeffizient ist eine übliche Messgröße bei der Erörterung von Phasenübergangsmaterial und bezieht sich auf die Fähigkeit des Materials, Wärme zu speichern anstatt sie mit der Umgebung auszutauschen. Die leistungsfähigsten Wandsysteme wären diejenigen, die tagsüber große Wärmemengen speichern können, diese aber nicht an die Fachwerkwand hinter der Ziegelverblendung übertragen. Die gemessenen thermischen Eigenschaften der gebrannten Ziegel in dieser Fachwerkwand konnten das dynamische Wärmeverhalten der Wohngebäudewand mit Ziegelverblendung um circa 30 % verändern.
Neben den für die gebrannten Ziegel optimierten Werkstoffeigenschaften sollte die Geometrie der Steins entsprechend dem regionalen Klima optimiert werden. Hierzu gehört auch die Optimierung des Lochbilds und mögliche Einbeziehung von Dämmung innerhalb der Steins. Derzeit ist geplant, den Einflusses der Konfiguration auf das Wärmeverhalten zu untersuchen. Aktuell finden Untersuchungen zur Messung und Charakterisierung des solaren Reflexionsvermögens von gebrannten Ziegeln statt, da Solarstrahlung (sowohl erkennbar als auch infrarot) eine signifikante Wärmelast auf ein Wandsystem darstellt und dieser Wert zur Ermittlung seines Einflusses auf den Energieverbrauch untersucht werden sollte.
