Numerische Untersuchung der Eignung einer adaptiven Wärmedämmung zur thermischen Aktivierung von Gebäudeelementen

Abstract

Der hohe Raumwärmebedarf privater Haushalte in Deutschland, welcher bisher mehrheitlich durch fossile Energieträger gedeckt wird, in Verbindung mit der schwankenden Verfügbarkeit der erneuerbaren Energien, führt zur Notwendigkeit innovativer Lösungen sowie der Integration von Energiespeichern zur nachhaltigen Beheizung von Wohngebäuden. Durch die im deutschen Wohngebäudebestand weitverbreiteten Massivdecken besteht eine große, aber derzeit ungenutzte, Speicherkapazität, da sich die verwendeten zementbasierten Baustoffe hervorragend zur sensiblen Speicherung thermischer Energie eignen. Die Nutzung massiver Gebäudeelemente zur Energiespeicherung, auch thermische Bauteilaktivierung genannt, ist ein bekanntes und angewandtes Konzept. Die im Bauteil gespeicherte Wärme wird dem Raum über einen längeren Zeitraum passiv zugeführt. Deutlich verbessert werden könnte die thermische Bauteilaktivierung durch eine aktive Regelung der Wärmeabgabe. Ein vielversprechender Ansatz zur Optimierung der klassischen thermischen Bauteilaktivierung ist der Einsatz regelbarer Wärmedämmelemente, über die sich der in den Raum abzugebende Wärmestrom aktiv beeinflussen lässt. Eine solche regelbare Wärmedämmung wird am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) unter Ausnutzung der gasdruckabhängigen Wärmeleitfähigkeit in porösen Medien entwickelt. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass durch Verwendung solcher Dämmpaneele die thermische Bauteilaktivierung optimiert werden kann. Hierfür wird ein numerischer Ansatz verfolgt, mit welchem einerseits die thermische Aktivierung eines Zementestrichs, anderseits die Aktivierung der betonierten Tragschicht eines gängigen Schichtaufbaus einer Massivdecke simuliert wird. Der Schichtaufbau der Decke wird jeweils durch ein eindimensionales Modell abgebildet. Die Betriebsphasen der Beladung, Speicherung und Entladung werden instationär und separat voneinander betrachtet, wobei die Beladung durch eine elektrische Heizmatte erfolgt. Die Werte der Beladeleistung der Heizmatte, der Wärmeleitfähigkeit sowie der Dicke der regelbaren Wärmedämmung werden variiert und ihr Einfluss auf das Betriebsverhalten in Form einer Parameterstudie untersucht. Die Ergebnisse der numerischen Untersuchung zeigen, dass durch den Einsatz einer regelbaren Wärmedämmung deutlich höhere Temperaturen und somit deutlich höhere gespeicherte Energiemengen im Vergleich zur klassischen thermischen Bauteilaktivierung erreicht werden können. Durch die Möglichkeit der Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit während der Entladung lässt sich die Heizleistung in den Raum erheblich steigern. Der Estrich weist sowohl während der Be- als auch Entladung eine höhere Dynamik auf, wobei die Massivschicht durch ihre höhere Kapazität merklich längere Zeiträume überbrücken kann und sich somit hervorragend zur Nutzung schwankender Stromangebote eignet.