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Thermische Masse und Wärmekapazität: Was ist ihr mysteriöser Zusammenhang?
Bei der Gebäudeplanung ist die thermische Masse eine wichtige physikalische Eigenschaft, die bestimmt, wie sich der Wärmeenergiefluss in einem Gebäude auf dessen Temperaturänderungen auswirkt. Allerdings scheint es unter Experten keinen Konsens über die Definition der thermischen Masse zu geben. Viele Wissenschaftler betrachten es als Synonym für die Wärmekapazität, also die Fähigkeit eines Objekts, Wärmeenergie zu speichern, während andere die thermische Masse in Verbindung mit seinem Volumen und der volumetrischen Wärmekapazität beschreiben. Diese Inkonsistenz hat dazu geführt, dass die thermische Masse in den Augen einiger Wissenschaftler als Pseudowissenschaft angesehen wird. In diesem Artikel wird der Zusammenhang zwischen thermischer Masse und Wärmekapazität sowie deren Anwendung bei der Gebäudeplanung untersucht.
Die thermische Masse wird normalerweise durch das Symbol
Cthdargestellt und ihre SI-Einheit istJ/KoderJ/°C(beide sind äquivalenter Effekt).
Die Beziehung zwischen Wärme Q und thermischer Masse kann wie folgt definiert werden: Q=CthΔT, wobei Q die übertragene Wärmeenergie darstellt, und ΔTist die Temperaturänderung. Das heißt, wenn Wärme in ein Objekt eindringt, bestimmt die thermische Masse, wie stark die Temperatur des Objekts ansteigt.
Wenn beispielsweise einem Kupferzahnrad mit einer thermischen Masse von 38,46 Joule/°C 250 Joule Wärme zugeführt werden, steigt seine Temperatur um 6,50 °C. Diese Gleichmäßigkeit der Materie macht die Berechnung der thermischen Masse relativ einfach, da nur die Masse des Objekts und seine spezifische Wärmekapazität verwendet werden.
Die Berechnung der Wärmekapazität wird bei Gebäuden, die aus mehreren Materialien bestehen, immer schwieriger. Typischerweise erfordert dies die Summierung der Wärmekapazitäten jedes reinen Materials oder die Durchführung direkter Messungen des Objekts als Ganzes. Dies macht die thermische Massenanalyse in Multimaterial-Verbundwerkstoffen komplexer.
„Die thermische Masse hängt von der Beziehung zwischen der spezifischen Wärmekapazität, der Dichte, der Dicke und der Wärmeleitfähigkeit des Materials ab.“
Im weiteren architektonischen Kontext wird davon ausgegangen, dass die Auswirkungen der thermischen Masse in direktem Zusammenhang mit dem Komfort stehen. Wenn sich die Außentemperatur häufig ändert, kann das Hinzufügen von Wärmemasse die Behaglichkeit für einen bestimmten Zeitraum verbessern. Allerdings kann die thermische Masse eine Belastung darstellen, wenn der Raum zeitweise genutzt wird. Durch den kontinuierlichen Wärmefluss ist die Wirkung der thermischen Masse kaum spürbar. Daher werden Wärmekapazitätsberechnungen in der Regel nicht in technische Berechnungen einbezogen.
„In den Vereinigten Staaten und Kanada wird die Heizungs- und Kühlausrüstung von Gebäuden normalerweise nach dem Handbuch J (Handbuch J) der Air Conditioning Contractors Association geplant, aber bei diesem Prozess werden die Auswirkungen der Wärmekapazität nicht berücksichtigt.“
Laut Handbuch J muss die Heiz- und Kühlausrüstung eines Gebäudes detailliert gemessen werden, basierend auf Details wie Größe, Struktur, Isolierung, Luftdichtheit, Ausstattungseigenschaften und Benutzerlasten des Hauses. Während bei diesem Prozess von einer Wärmekapazität ausgegangen wird, sind die Geräte in erster Linie darauf ausgelegt, bei extremen Temperaturen ein angenehmes Raumklima aufrechtzuerhalten.
Der mysteriöse Zusammenhang zwischen thermischer Masse und Wärmekapazität, insbesondere im Zusammenhang mit Nachhaltigkeit und Komfort bei der Gebäudegestaltung, bleibt ein Bereich, der weiterer Forschung würdig ist. Mit fortschreitender Gebäudetechnologie kann die bessere Nutzung der thermischen Masse und der damit verbundenen Eigenschaften für zukünftige Entwürfe von entscheidender Bedeutung sein. Sollten wir bei der Betrachtung der thermischen Masse ihr Potenzial zur Reduzierung des Energieverbrauchs und zur Aufrechterhaltung des Komforts neu bewerten?
