Berechnung der Wärmekapazität von inhomogenen Konstruktionen

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: 103223

Schlüsselwörter (Deutsch)

TP0083;F-Gebäude

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Berechnung der Wärmekapazität von inhomogenen Konstruktionen

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

In der Norm SIA 382/1:2007 werden verschiedene bauliche Anforderungen beschrieben, die beim Klimatisieren eines Gebäudes erfüllt werden müssen. Eine der Anforderung bezieht sich auf die Wärmespeicherfähigkeit einer Zone, wobei der Wert von 30 Wh/m2K nicht unterschritten werden darf. Bei MINERGIE®- oder MINERGIE-P®-Anträgen muss diese Anforderung bei den Varianten 2 und 3 des Nachweises betreffend des sommerlichen Wärmeschutzes ebenfalls eingehalten werden. Die Wärmespeicherfähigkeit einer Zone wird aus den Bauteilflächen und deren Wärmekapazität ge-bildet, deren Berechnung in der Norm EN 13786:2005 beschrieben wird. Zur Anwendung kommt das dynamischen Berechungsverfahren der Wärmekapazität einer homogenen Konstruktion. Leider be-handelt die EN Norm keine inhomogenen Bauteile, welche vor allem im Holzbau Anwendung finden. Mit der vorliegenden Arbeit soll diese Lücke geschlossen werden und es sollen die Erkenntnisse in die Planungshilfsmittel „SIA Tool 382/2 und 3“ und in das SIA Excel-Tool „Wärmespeicherfähigkeit“ umgesetzt werden. Zur Lösungsfindung werden Simulationen eingesetzt und daraus wird eine einfa-che Handhabung erarbeitet, welche in den oben erwähnten Tools implementiert und auch weiteren Programmierern zur Verfügung gestellt wird.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Hochschule Luzern - Technik und Architektur

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Gadola,Reto

Zugehörige Dokumente

• Berechnung der Wärmekapazität von inhomogenen Konstruktionen | Erweiterungen der Planungshilfen für den sommerlichen Wärmeschutz - Jahresbericht 2009 [PDF] 33 kB

Schlussbericht (Deutsch)

Im Jahre 2007 erschien die Norm SIA 382/1 [1] in der unter anderem auch bauliche Anforderungen im Hinblick auf den sommerlichen Wärmeschutz definiert werden. Daraufhin hat der Verein MINERGIE® den sommerlichen Wärmeschutz in die Liste der Anforderungen aufgenommen. Neben dem Sonnenschutz ist die Wärmespeicherfähigkeit ein wichtiger Teilaspekt beim sommerlichen Wärmeschutz. Erfahrungen bei Minergie zeigen, dass bei Gebäuden mit einer freien Betondecke oder gemauerten Wänden und Unterlagsböden genügend Wärmespeicherkapazität vorhanden ist und so die Anforderungen erfüllbar sind. Es ist somit kein rechnerischer Nachweis nötig. Bei einem Holzbau ist die Beurteilung weit schwieriger und in der Regel muss auf Berechnungen zurückgegriffen werden, da Holzbauten tendenziell nahe am Grenzwert liegen. Die Wärmespeicherfähigkeit eines Raumes wird dabei aus dessen umhüllenden Flächen und deren wirksamer Wärmekapazität berechnet. Die Berechnung der wirksamen Wärmekapazität ist in der Norm SIA 180.073 [3] beschrieben, jedoch nur für homogene Konstruktionen. Inhomogene Konstruktionen, wie sie im Holzbau häufig anzutreffen sind, werden nicht behandelt. Die durchgeführten Recherchen haben zu verschiedenen Arbeiten rund um die wirksame Wärmekapazität geführt. Die meisten Quellen hielten einer genaueren Prüfung jedoch nicht stand. Entweder wurden nur homogene Modelle betrachtet oder es wurden keine dynamischen Modelle verwendet. Trotzdem konnten für die Berechnung der wirksamen Wärmekapazität drei Varianten ermittelt werden ,welche heute eingesetzt werden: 1. Konstruktion als Zusammensetzung aus Elementen unterschiedlicher Schichtstruktur, flächenanteilig zu verrechnen. 2. Ersatz durch eine virtuelle Schicht mit Materialkonstruktionen entsprechend dem arithmetischen Mittel der verwendeten Materialteile. 3. Berücksichtigung nur der flächenmässig dominierenden gedämmten Teile unter Vernachlässigung des Einflusses der Tragstruktur. Anhand verschiedener inhomogener Konstruktionen aus dem Bauteilkatalog für Neubauten [7] sind Berechnungen nach den drei Verfahren durchgeführt worden. Aus der Resultatanalyse können nun folgende Schlüsse gezogen werden: a) die Materialien der ersten Schichten beeinflussen die wirksame Wärmekapazität wesentlich, b) die Werte sind aufgrund der Holzbauweise relativ tief, absolut gesehen sind die Abweichungen der wirksamen Wärmekapazität zwischen den Varianten 1 bis 3 klein, c) Vergleiche zwischen den Varianten zeigen keine Tendenz, die Resultate streuen in alle Richtungen. Aus Sicht behördlicher Nachweis kann immer ein konservativer Weg eingeschlagen werden. Dies ist mit der Variante 3 gegeben und wir auch schon heute angewendet. Da aber vor allem im Holzbau jede Wattstunde benötigt wird - um die Anforderung zu erfüllen - ist vor allem für solche Objekte eine genauere Berechnung wichtig. Für inhomogene Konstruktionen welche in Kombination Holz / Dämmstoff ausgeführt werden, wird für eine genauere Berechnung das Verfahren 1 vorgeschlagen. Werden aber inhomogene Konstruktionen in Kombination mit metallischen Durchdringungen betrachtet sind detaillierte Berechnungen nach der finite Element-Methode unumgänglich.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Hochschule Luzern - Technik & Architektur, Zentrum für Integrale Gebäudetechnik (ZIG)

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Gadola,Reto
Thaler,Eveline

Zugehörige Dokumente

• Berechnung der Wärmekapazität von inhomogenen Konstruktionen | Erweiterung der Planungshilfen für den sommerlichen Wärmeschutz - Schlussbericht 2011 [PDF] 851 kB

Schlussbericht (Französisch)

La norme SIA 382/1 [1] parue en 2007 défini entre autre les exigences par rapport aux protections thermiques estivales. De ce fait l'association MINERGIE® a également intégré ces critères à sa liste d’exigences. Outre les protections solaires, la capacité thermique revêt un aspect important dans le cas de la protection thermique estivale. L'expérience acquise dans le cadre de Minergie permet d'établir les constatations suivantes. Les bâtiments ayant des plafonds en bêton apparent ou des murs en maçonnerie avec des dalles bêton ont assez de capacité thermique et remplissent de ce fait les exigences. Un calcul visant à établir cette preuve est alors superflu. Dans le cas des constructions en bois l’appréciation s'avère être plus difficile. Ceci du fait que ce genre de bâtiment se trouve tendanciellement proche de la valeur limite. Le calcul de la capacité thermique d'un local prendra alors compte des surfaces extérieures de la pièce considérée. Le calcul de la capacité thermique surfacique est décrit dans la norme SIA 180.073 [3] mais ceci que pour les constructions homogènes. Le cas de construction inhomogènes souvent rencontré pour les bâtiments en bois n'y est pas traité. Les recherches effectuées ont menés à l'étude de différents travaux portant sur la capacité thermique surfacique. La plus part des sources d'information n'apporte malheureusement pas de méthode probante dans ce domaine. Soit on considère que le modèle homogène ou alors on n'utilise pas de modèle dynamique. Néanmoins on peut utiliser pour le calcul de la capacité thermique surfacique trois méthodes actuellement employées : 1. la moyenne arithmétique des capacités thermiques surfaciques de chaque constituant de la construction. 2. la moyenne arithmétique issue de la liste des propriétés du corps considéré, la capacité thermique surfacique est calculée à partir d'une construction fictive. 3. seuls les constituants de la construction isolée sont analysés. A l'aide des différentes constructions inhomogènes tirées du catalogue des éléments de construction pour nouveau bâtiments [7], des calculs comparatifs des trois différentes méthodes ont étés effectués. Les constatations suivantes ont pu être tirées de ces analyses. 1. Les éléments des premières couches ont une très grande influence sur valeur de la capacité thermique surfacique. 2. Les valeurs sont du fait du type de construction "bois" relativement faibles. Dans l’absolu les différences constatées entre la variante 1 et 3 sont minimes. 3. Aucune tendance n'a été remarquée lors de la comparaison des différentes variantes, les résultats s'éparpillent dans toutes les directions. Du fait des vérifications administratives, il est encore préconisé d'adopter la méthode conservative. Ceci en utilisant la variante 3 qui est a ce jour déjà utilisée. Néanmoins la variante 3 appliquée aux cas des constructions en bois n'est pas optimale. D'autant plus chaque watt-heure s'avère précieux afin d'atteindre les exigences. Pour les constructions inhomogènes projetées avec des combinations bois/isolation, la méthode 1 permet d'aboutir à un résultat plus précis. Toutefois les constructions inhomogènes en combinations avec des éléments métalliques pénétrant l'enveloppe, ne peuvent être calculées sans les méthodes des éléments finis.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Hochschule Luzern - Technik & Architektur, Zentrum für Integrale Gebäudetechnik (ZIG)

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Gadola,Reto
Thaler,Eveline