Hey, was sagt man dazu, es ist jetzt September. Es ist erst sechs Wochen her, dass ich den umstrittenen Artikel über Klimaanlagen veröffentlicht habe, aber seitdem haben sich die Dinge für die Bewohner Kanadas und der nördlichen Hälfte der USA ziemlich verändert.
Damals, am 18. Juli, befanden wir uns in den heißesten Wochen des Jahres, als sowohl die Tages- als auch die Nachttemperaturen unangenehm heiß waren, besonders im Osten. In dieser Situation ist es schwierig, die Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht auszunutzen, um das Haus kühl zu halten, und ich habe in den Kommentaren viele entsprechende Beschwerden erhalten 😉
Aber jetzt ist September, und die Tageslichtmenge schrumpft so schnell wie noch nie in diesem Jahr – wo ich am 40. Breitengrad wohne, verlieren wir im September weit über 2 Minuten pro Tag. Und die Nächte sind im Herbst viel kühler, auch wenn die Tage immer noch ziemlich heiß sind. Gestern Morgen zum Beispiel war es draußen 13,9 °C warm, als ich frühstückte, und über 37 °C um 15 Uhr, als ich mit dem Fahrrad losfuhr, um meinen Sohn vom Kindergarten abzuholen. Große Temperaturschwankungen wie diese machen es sehr einfach, die perfekte Temperatur für das Wohlbefinden zu Hause zu finden, indem man zur richtigen Tageszeit Luft ansaugt. Ich habe während der Nacht eine ganze Ladung Kälte gespeichert, so dass ich keine Ahnung hatte, wie heiß es um 3 Uhr nachmittags draußen war, bis ich die Tür öffnete… und das alles, ohne die Klimaanlage zu betätigen.
Aber wie viel Kühle können Sie in Ihrem Haus speichern? Hängt das nur von der Menge der Luft ab, die darin enthalten ist? Warum bleiben manche Häuser an Sommertagen kühler als andere? Warum heizen sich selbst große Zelte fast augenblicklich auf, aber selbst kleine Höhlen oder Keller bleiben das ganze Jahr über kühl?
Die Antwort liegt im Titel dieses Artikels: Thermische Masse. Wir können jetzt etwas darüber lernen, weil es immer Spaß macht, eine wissenschaftliche Lektion zu erhalten, und auch weil das Verständnis dieses einfachen Konzepts Ihnen für den Rest Ihres Lebens Geld und Energie sparen wird. Also sehen Sie sich das an:
Angenommen, Sie sitzen gerade in Ihrem Wohnzimmer. Es ist ein ziemlich großer Raum: 15 x 15 Fuß, mit einer 9 Fuß hohen Decke. Hier sind ein paar interessante Fakten darüber:
Wie viel Luft befindet sich in dem Raum? 15 x 15 x 9 = 2025 Kubikfuß.
Wie viel wiegt diese Luft? 2025 x 0,0807 Pfund pro Kubikfuß = 163 Pfund.
Wie viel Energie wird benötigt, um diese Luft von 60 auf 80 Grad Fahrenheit zu erwärmen? 0,018 BTUs pro Kubikfuß pro Grad x 20 Grad x 2025 Kubikfuß = 729 BTUs.
Oh-oh, was ist ein BTU? Das sollten Sie wissen, denn dieser Begriff steht auf jeder Klimaanlage, jedem Grill, jedem Warmwasserbereiter und jedem Ofen, den Sie jemals besitzen werden. Die Abkürzung steht für British Thermal Unit und gibt die Wärmemenge an, die benötigt wird, um ein Pfund Wasser um ein Grad Fahrenheit zu erwärmen. Wenn Sie also einen 16-Unzen-Becher Kaffee haben, der etwa ein Pfund Wasser enthält, und Sie ihn von einer kühlen Raumtemperatur (60 F) auf Siedetemperatur (212 F) bringen müssen, benötigen Sie 152 BTU an Wärme.
Kehren wir also zu Ihrem großen Wohnzimmer zurück. Wir wissen, dass wir 729 BTU Wärme benötigen, um die Luft in diesem Raum von 60 auf 80 F zu erwärmen. Aber wir haben gerade 152 in Ihren Kaffee gepumpt. Heißt das, dass wir den ganzen Raum erwärmen können, indem wir einfach 5 Tassen Kaffee auf den Boden stellen?
Die Intuition sagt uns, dass das nicht genug Wärme wäre. Und die Intuition hätte Recht. Der Grund dafür, dass es viel mehr als nur ein paar Kaffee Wärme braucht, um einen Raum zu erwärmen, ist die THERMISCHE MASSE der tatsächlichen Struktur des Raumes und alles, was sich darin befindet.
Wie sich herausstellt, befinden sich in diesem Raum auch 765 Quadratfuß Trockenbauwände (die 1224 Pfund wiegen), 225 Quadratfuß Hartholzböden (482 Pfund) und einige Möbelstücke (400 Pfund). Wenn wir kurz außer Acht lassen, dass jedes Material eine andere Wärmemenge pro Pfund speichert, können wir immer noch sehen, dass der Raum selbst 2100 Pfund wiegt, drastisch mehr als die 160 Pfund, die die Luft wiegt. Um den Raum zu erwärmen, braucht man also nicht nur fünf Tassen kochendes Wasser, sondern mehr als fünfzig davon.
Jetzt verstehen Sie, warum ein normales Haus zumindest in den ersten Stunden eines heißen Herbsttages komfortabel bleibt, während ein Zelt gleicher Größe schon nach wenigen Minuten Sonneneinstrahlung zu brutzeln beginnt.
Und die wissenschaftlich Interessierten bekommen vielleicht schon erste Ideen, wie man dieses Wissen zum Energiesparen nutzen kann.
In einem modernen 2000-Quadratfuß-Haus in einem amerikanischen Vorort befinden sich etwa 20.000 Pfund Trockenbauwände an den Wänden und Decken. Da dieses Vorstadthaus größtenteils mit Teppichböden ausgestattet ist (Teppich hat eine minimale thermische Masse und wirkt wie ein Isolator), macht die Trockenbauwand etwa 90 Prozent der nutzbaren thermischen Masse des Hauses aus. Ein Haus wie dieses hat eine einigermaßen stabile Temperatur, aber wenn man ein paar Menschen und etwas Sonnenlicht hinzufügt, erwärmt es sich im Laufe eines Tages immer noch auf unangenehme Temperaturen, selbst wenn es am Morgen mit 65 F beginnt.
Mein Haus war ähnlich gebaut, als ich es 2006 kaufte. Aber im Laufe der Zeit, als die Teppiche abgenutzt waren, habe ich sie durch natürliche Holz- und Fliesenböden ersetzt. Diese fügen nicht nur eine nützliche thermische Masse hinzu, sondern leiten die Wärme auch besser in den darunter liegenden Unterboden und das Gebälk als Teppich, was den Effekt noch verstärkt. Ich habe auch mehrere Badezimmer mit einer großen Anzahl von Fliesen und luxuriösen Duschböden aus Gussbeton unter Mosaikfliesen umgebaut. Und ich arbeite daran, das Haus noch schwerer zu machen, und plane, bei der Renovierung der Küche dicke Betonarbeitsplatten einzubauen und sogar eine massive Erd-, Stein- oder Betonwand im nach Süden ausgerichteten Raum zu errichten, die an Wintertagen immense Mengen an Sonnenenergie einfangen wird.
Lassen Sie uns das alles in die Praxis umsetzen: Mein Haus hat jetzt etwa 15.000 Pfund mehr nutzbare thermische Masse als bei meinem Einzug. Mit ein paar technischen Tabellen kann ich sehen, dass diese Menge an Material, in meinem Verhältnis von Fliesen, Stein und Holz, etwa 5.000 BTU an Wärme für jedes Grad der Temperaturerhöhung im Haus aufsaugt.
In einer kühlen Nacht, wenn ich einen Ventilator laufen lasse, kann ich das Haus auf 65 F herunterbringen. Die Temperatur, bei der mein Haus ein bisschen unangenehm warm wird, ist 82F. Wir haben also eine Temperaturschwankung von 17F.
Während dieses Aufheizens um 17 Grad Celsius an einem heißen, sonnigen Tag kämpfen all diese 15.000 Pfund an Materialien gegen den Temperaturanstieg, saugen die Wärme auf und halten mich kühl. Wenn die Innentemperatur schließlich 82°F erreicht, haben sie 5.000 x 17 = 85.000 BTU an Wärme absorbiert.
Wie ich bereits in einem früheren Artikel erwähnt habe, kann meine zentrale Klimaanlage 36.000 BTU Wärme pro Stunde aus dem Haus pumpen.
Die neuen Materialien, die ich eingebaut habe, verbrauchen genauso viel Wärme wie die Klimaanlage, die jeden Tag fast zweieinhalb Stunden läuft! Wenn ich mich auf die Klimaanlage verlassen würde, um das zu ersetzen, was ich mit dieser netten Kühlfunktion kostenlos bekomme, würde ich 210 kWh Strom pro Monat zusätzlich verbrauchen und damit meine Rechnung fast verdoppeln.
Beachten Sie, dass die thermische Masse zwar Wärme aufnimmt, diese aber jede Nacht wieder abtransportiert werden muss, damit sie am nächsten Tag den Prozess wiederholen kann – daher sind offene Fenster und ein Ventilator umso wichtiger.
Diese grobe technische Berechnung (die ich vor dem Verfassen dieses Artikels noch nie im Detail durchgeführt hatte) untermauert meine anekdotischen Erfahrungen mit diesen Renovierungen: Als wir in dieses Haus einzogen, hatten wir das Bedürfnis, jeden Nachmittag für ein paar Stunden die Klimaanlage einzuschalten, obwohl ich mich nachts um Kühlung bemühte. Nachdem ich den hässlichen Teppich entfernt und die Bäder renoviert hatte, war die Klimaanlage nicht mehr nötig!
Natürlich habe ich nicht Hunderte von Stunden damit verbracht, Holz, Stein und Fliesen zu verlegen, nur um Strom zu sparen. Der Hauptgrund war der Wunsch, ein schönes, komfortables Haus mit stilvollen natürlichen Materialien im Inneren zu haben. Aber die praktische Lektion ist dieselbe: Wenn man für den Komfort renoviert, sollte man an SCHWERES denken. Wenn Sie die Möglichkeit haben, ein Haus zu kaufen, achten Sie auf Betonböden, Innenwände aus Stein oder Ziegeln und nach Süden ausgerichtete Fenster, wenn Sie an einem Ort mit kalten Wintern wohnen. Und wenn Sie wirklich den Mustachian Scientist Award bekommen wollen, können Sie schwere Dinge in Ihr Haus stellen, allein schon wegen der Temperaturstabilität, die sie verleihen. Eine Schatztruhe voller Gold? Ein großes Fischbecken? Ein mittelalterliches Tisch- und Stuhlset aus Stein? Hier überlasse ich Ihrer eigenen Kreativität die Zügel.
Im Winter tritt derselbe Effekt in umgekehrter Form auf. Bevor die thermische Masse eingebaut wurde, heizte sich mein Haus an Wintertagen durch die unerbittliche horizontale Sonneneinstrahlung auf die Temperatur von „Shorts and Tanktop“ auf und verlor dann nachts schnell an Wärme. Jetzt bleibt es auf einer konstanteren Temperatur. Wenn ich mehr nach Süden ausgerichtete Fenster anbringe, werde ich mehr Gewicht hinzufügen, wobei ich mich auf schwere, aber ökologisch günstigere Materialien wie wiederverwendete Fliesen, Stein aus der Region oder sogar eine mit Schotter gefüllte Wand konzentriere. Echte Öko-Häuser haben Betonböden und sogar riesige Wasserrohre vor den Fenstern mit Sonneneinstrahlung. Ein paar hundert Gallonen Wasser können genug Wärme speichern, um eine ganze Winternacht zu überstehen, auch wenn es nur ein oder zwei Dollar kostet, wenn es aus dem Wasserhahn fließt. Und es sieht ganz nett aus.
Ich fange gerade erst mit meinem Projekt eines energieunabhängigen Hauses an. Ich bin mir sicher, dass einige von Ihnen mir schon Jahre voraus sind, indem sie kostenloses Sonnenlicht einfangen, Solarstrom ins Netz einspeisen und ihre Gemüsegärten mit dem Abfluss des Hauses bewässern. Aber es ist ein sehr unterhaltsames Hobby für mich, in das ich trotzdem hineinwachsen kann.