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Wärmekapazität: Wissen, was gut Wärme speichert

Wie gut ein Material Wärme speichert, darüber gibt die sogenannte Wärmekapazität Auskunft. Wasser kann Wärme besonders gut speichern und dient folglich oft als Medium zur Wärmeübertragung in der Heiztechnik. Stoffe mit hoher Wärmekapazität speichern im Winter viel Wärmeenergie und wirken im Sommer ausgleichend. Wer diese Grundlagen der Bauphysik beachtet, unterstützt ein gesundes und behagliches Raumklima.

Wärmekapazität: Modellhaus mit Schal umwickelt

Inhaltsverzeichnis

  1. Die Wärmekapazität im Detail
  2. Die Wärmekapazität in der Bau- und Heiztechnik
  3. Massive Baustoffe haben die größere Wärmekapazität
  4. Kenntnisse über die Wärmekapazität richtig nutzen

Die Wärmekapazität im Detail

Die Wärmekapazität „C“ eines Gegenstandes gibt an, wie viel Wärme man ihm zuführen muss, damit seine Temperatur um eine bestimmte Gradzahl ansteigt. Für Berechnungen benötigen Experten allerdings die spezifische Wärmekapazität. Das Formelzeichen ist in jenem Fall ein kleines „c“. Diese Größe bezieht sich auf eine bestimmte Menge eines Stoffes.

Spezifische Wärmekapazität von Wasser

  • Wasser hat zum Beispiel eine spezifische Wärmekapazität von 4,2 Kilojoule (kJ) pro Kilogramm und Kelvin (K).

  • Das bedeutet, dass Sie 4,2 kJ brauchen, um 1 kg Wasser um 1°C aufzuheizen.

Kilojoule sind heute die international anerkannte Einheit für Energie. Sie finden daher die Angaben des Energiegehaltes von Lebensmitteln auf den Verpackungen in kJ. Für die Wärmeenergie in der Haustechnik ist dagegen die Einheit Kilowattstunden (kWh) gebräuchlich. Um von kJ auf kWh zu kommen, müssen Sie den Betrag einfach durch 3.600 teilen oder mit 0,00028 multiplizieren.

Isobare und isochore Wärmekapazität

Die Größe der spezifischen Wärmekapazität hängt von der jeweiligen Ausgangstemperatur ab. So gilt die zuvor genannte Wärmekapazität von Wasser streng genommen nur bei 20°C. Bei Gasen kommt noch hinzu, dass sie sich durch das Erwärmen stark ausdehnen können. Daher unterscheidet die Physik zwischen der isobaren und isochoren Wärmekapazität.

Isobare Wärmekapazität „cp

  • Bei ihr bleibt der Druck während des Aufheizens konstant und das Volumen ändert sich.
  • Die isobare Wärmekapazität gilt immer dann, wenn sich das Gas im Raum frei ausdehnen kann.

Isochore Wärmekapazität „cv

  • Bei ihr bleibt das Volumen während des Aufheizens konstant und der Druck ändert sich.
  • Die isochore Wärmekapazität beschreibt die Vorgänge beim Aufheizen von Gas in einem geschlossenen Behälter.

Die isobare Wärmekapazität ist kleiner als die isochore. Denn zum Ausdehnen verbraucht das Gas einen Teil der Wärme in Form von Expansionsarbeit. Dieser Teil fehlt dann für die Erhöhung der Temperatur.

Beispiele für isobare versus isochore Wärmekapazität

  • Die Erwärmung der Raumluft durch einen Heizkörper ist ein Beispiel für einen isobaren Vorgang.
  • Denn die Raumluft dehnt sich über dem Heizkörper in Folge der Erwärmung aus.
  • Ein Beispiel für einen isochoren Vorgang ist die Heizung.
  • Denn in einem geschlossenen Heizkreis ist das Volumen konstant. Die Heizung heizt also isochor und reagiert auf den Temperaturanstieg in den Leitungen mit einer Erhöhung des Drucks.

Wärmekapazität unterschiedlicher Stoffe

  • Flüssiges Wasser hat eine besonders hohe Wärmekapazität und eignet sich daher ideal als Leiter von Wärme. Die Beimischung von Frostschutzmittel, wie sie bei Solaranlagen oder Erdwärmepumpen nötigt ist, reduziert die Wärmekapazität ein wenig.

  • Metalle wie Stahl oder Kupfer haben grundsätzlich eine geringe Wärmekapazität.

  • Baustoffe wie Beton, Kalksandstein, Mineralwolldämmung oder auch Holz liegen im mittleren Bereich.

Die Wärmekapazität in der Bau- und Heiztechnik

Welche Bedeutung die Wärmekapazität in der Bau- und Heiztechnik hat, lässt sich anhand von Beispielrechnungen veranschaulichen.

Pufferspeicher: Was geht rein?

Wie viel Wärme „Q“ kann ein Pufferspeicher mit 1.000 Liter Inhalt speichern, wenn man ihn von 20 auf 60°C aufheizt? Eine solche Berechnung hilft dem Heizungsfachmann bei der Auslegung der Heizung. Dazu müssen Sie die spezifische Wärmekapazität mit der Temperaturdifferenz und der Masse des Wassers multiplizieren. Hinzu kommt noch der Umrechnungsfaktor von kJ in kWh.

Beispielrechnung: Wie viel Wärme kann der Pufferspeicher aufnehmen?

  • Wärme = spezifische Wärmekapazität von Wasser * Temperaturdifferenz * Masse des Wassers * Umrechnungsfaktor von kJ in kWh

  • Q = 4,2 * 40 * 1.000 * 0,00028 = 47,04 kWh

  • Der Pufferspeicher in diesem Beispiel nimmt also 47,04 kWh Wärmeenergie auf.

Heizkreis: Wie auslegen?

Auch die Frage, wie viel Wasser zu einem Heizkörper strömen muss, damit er seine volle Leistung erbringen kann, lässt sich leicht beantworten. Nehmen Sie als Beispiel einen Heizkörper mit 1.600 Watt Leistung, der mit dieser in einer Stunde 1,6 kWh Wärme an den Raum abgeben kann. Dabei kühlt sich das Wasser, das ihn durchströmt, um 10°C ab.

Die Wassermenge „m“, die in einer Stunde durchströmen muss, ergibt sich dann aus der folgenden Berechnung:

Beispielrechnung: Nötige Wassermenge pro Stunde

  • Wassermenge = Wärmemenge / (spezifische Wärmekapazität von Wasser * Temperaturdifferenz * Umrechnungsfaktor von kJ in kWh)

  • m = 1,6 / (4,2 * 10 * 0,00028) = 136 Liter

  • In diesem Fall benötigt der Heizkörper also 136 Liter pro Stunde.

Solche Berechnungen sind nötig, um den Durchmesser der Heizungsrohre festzulegen und die richtige Heizungspumpe auszuwählen. Auch für den hydraulischen Abgleich setzt der Fachmann die Berechnung der Durchflussmenge der einzelnen Heizkörper ein.

Betonplatten: Mehr drin als gedacht

Beton hat eine Wärmekapazität von 0,9 kJ pro Kilogramm und Kelvin. Das ist im Vergleich zu Wasser nur etwa ein Fünftel. Dennoch ist auch Beton ein guter Wärmespeicher, da hier einiges an Masse zusammenkommt.

Der Betonboden eines Zimmers mit 25 Quadratmetern hat bei einer Bodenstärke von 15 Zentimetern ein Gewicht von 12 Tonnen. Wie viel Wärme „Q“ ist nötig, um diesen Boden von 15 auf 25°C zu erwärmen? Dazu müssen Experten wiederum die spezifische Wärmekapazität mit der Temperaturdifferenz und der Masse des Betons multiplizieren. Natürlich darf auch hier der Umrechnungsfaktor von kJ in kWh nicht vergessen werden.

Beispielrechnung: Wärmekapazität von Beton

  • Wärme = spezifische Wärmekapazität von Beton * Temperaturdifferenz * Masse des Betons * Umrechnungsfaktor von kJ in kWh

  • Q = 0,9 * 10 * 12.000 * 0,00028 = 30,2 kWh

  • Eine solche Betonplatte kann nicht ganz so viel Wärmeenergie speichern wie der Pufferspeicher, kommt aber immerhin auf zirka 30 kWh.

Alle Zimmer und Geschosse eines Hauses zusammengerechnet, übertrifft die Speicherfähigkeit des Betons jedoch die des Heizsystems. Das macht sich die sogenannte Betonkernaktivierung zunutze. Bei der Betonkernaktivierung sind die Betondecken des Gebäudes mit Rohren durchzogen.

Da schon 25°C ausreichen, um das Gebäude auf angenehme Temperaturen zu heizen, können Solarwärmeanlagen oder Wärmepumpen besonders effizient arbeiten. Denn beide Wärmeerzeugungsarten sind umso besser, je tiefer die Temperaturen sind, die sie erzeugen müssen. Auch eine Fußbodenheizung nutzt die Wärmespeicherkapazität des Betons aus.

Raumluft: Die Speicherfähigkeit ist begrenzt

Die Luft hat mit 1,0 kJ pro Kilogramm und Kelvin eine etwas höhere Wärmekapazität als Beton. Dennoch ist die Wärmemenge, die die Heizung bereitstellen muss, um die Luft in den Zimmern zu erwärmen, sehr viel kleiner als die für die massiven Wände. Die folgende Berechnung verdeutlicht das:

Welche Wärmemenge ist nötig, um die Raumluft in einem Zimmer von 20 Quadratmetern Größe von 10 auf 20°C zu erhöhen? Auch hierzu müssen Sie die spezifische Wärmekapazität mit der Temperaturdifferenz und der Masse der Luft multiplizieren. Hinzu kommt wieder der Umrechnungsfaktor von kJ in kWh.

Beispielrechnung: Nötige Wärme um Raumluft aufzuheizen

  • Wärme = spezifische Wärmekapazität von Luft * Temperaturdifferenz * Masse der Luft * Umrechnungsfaktor von kJ in kWh

  • Q = 1,0 * 10 * 54,3 * 0,00028 = 0,15 kWh

  • Für die Erwärmung der Raumluft in diesem Beispiel muss die Heizung lediglich 0,15 kWh aufwenden, weil die Masse der Luft nur einen Bruchteil der Masse der Wände und Decken ausmacht.

Das ist der Grund, warum ein kurzes, kräftiges Stoßlüften am besten ist. Dabei geht nur die vergleichsweise geringe Wärme, die in der Luft steckt, verloren. Wenn Sie dagegen dauerhaft lüften – wenn auch nur über gekippte Fenster – kühlen über den Tag auch die Wände und die Gegenstände im Raum aus. Um diese dann wieder auf Temperatur zu bringen, verbraucht die Heizung wegen der größeren Wärmekapazität auch ein Vielfaches an Wärmeenergie. Lesen Sie hier mehr zum richtigen Lüften im Winter.

Massive Baustoffe haben die größere Wärmekapazität

Die Wärmespeicherkapazität hängt maßgeblich von der Masse ab. Demnach können massive Betondecken und Ziegelmauern mehr Wärme speichern als Leichtbauwände aus Gipskarton und massive Holzwände mehr als Holzständer- oder Holzriegelwände.

Einen Vorteil bieten massive Baustoffe auch im Sommer. Durch ihre hohe Wärmespeicherkapazität puffern sie Temperaturspitzen besser ab als Leichtbaustoffe. An heißen Tagen dauert es lange, bis massive Baustoffe sich auf die Außentemperatur aufgeheizt haben. Solange schaffen sie es, Wärme aus dem Raum aufzunehmen und dadurch den Temperaturanstieg zu begrenzen. Im besten Fall reicht die nächtliche Abkühlung aus und verhindert dauerhaft, dass es im Inneren unerträglich heiß wird.

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Ebenso kann die Wärmekapazität der Dämmstoffe einen Teil zur Regulierung der Temperaturspitzen beitragen. Holz, aber auch natürliche Dämmstoffe wie Flachs oder Hanf leiten die Wärme schlecht weiter. Sie verfügen jedoch über eine hohe spezifische Wärmekapazität und puffern damit Wärmemengen ab.

Allerdings ist dieser Effekt begrenzt. Wirklich kühl bleiben in längeren, heißen Sommerperioden nur dichte, gut gedämmte und mit Sonnenschutz ausgestattete Gebäude. Bei anderen kann eine aktive Kühlung sinnvoll sein, die auch über eine Betonkernaktivierung oder die Fußbodenheizung funktioniert.

Manche Wärmepumpen können im Sommer umgekehrt arbeiten: Während sie im Winter die Wärme aus der Umgebung entnehmen und damit das Haus erwärmen, kühlen sie im Sommer sanft das Haus. Das geschieht dadurch, dass kühles Wasser durch die Flächenheizungen fließt und so die Temperatur in den Räumen senkt.

Kenntnisse über die Wärmekapazität richtig nutzen

Wer über die Wärmekapazität von festen Gegenständen, Wänden und Decken im Vergleich zur gasförmigen Luft Bescheid weiß, kann nachvollziehen, warum beim Stoßlüften nur wenig Wärme verloren geht. Massive Bauteile tragen dank ihrer hohen Wärmekapazität zum Speichern der Energie bei und wirken ausgleichend an heißen Tagen.

Für einen schnellen Überblick haben wir Ihnen die spezifischen Wärmekapazitäten einiger Materialien sowie von Luft und Wasser nochmals zusammengefasst:

Material
Spezifische Wärmekapazität [kJ/kgK]
Kupfer
0,4
Stahl
0,5
Mineralwolle
0,8
Beton
0,9
Gips
1,0
Kalksandstein
1,0
Luft
1,0
Styropor
1,4
Hanf/Flachs
1,7
Holz
1,7
Holzfaser/Zellulose
2,1
Wasser mit 29% Glykol (Frostschutz)
3,6
Wasser (bei 20°C)
4,2

 

Wer die dargestellten Grundlagen der Bauphysik beachtet, hat schon das Wesentliche für ein gesundes und behagliches Raumklima getan.

Dr. Jens-Peter Meyer

Über den Autor

Dr. Jens-Peter Meyer schreibt freiberuflich seit dem Jahr 2000 über Heizungsthemen. Sein journalistischer Schwerpunkt liegt auf erneuerbaren Energien in der Wärmetechnik – speziell in Solarwärmesysteme, Wärmepumpen und Holzheizungen.

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