Wissenschaft in den USA mit ASHRAE
Impact of Mass Wood Walls on
Building Energy Use, Peak Demand, and Thermal Comfort
This research study evaluated the impact of mass timber on energy use, peak demand, and thermal comfort in buildings. Laboratory tests were first conducted in ORNL’s to validate modeling against the thermal response of actual wall assemblies. Then, effective material properties were created to enable simulation of the assemblies using a whole-building simulation model (EnergyPlus) in three climate locations.
The results show significant impacts of the thermal inertia of the mass timber wall assemblies on the annual energy use—especially on the peak demand as compared to the standard 2×4 and 2×6 lightweight wall systems. In this study, the annual energy savings with mass timber walls as compared to the baseline
lightweight walls depending on the climate zones were up to 22%. The exception was the solid mass wall with a 72% higher U-value than the baseline wall, which had 12% higher heating and cooling energy use in Golden, CO. In addition, the lightweight walls with extreme insulation level (R-100 continuous insulation) saved less cooling energy as the mass timber walls. The results show that when the focus is on lowering the cooling energy use, more insulation is not necessarily the solution but instead adding thermal mass. Adding thermal mass is most effective in climates that have large variations in diurnal temperatures, which is when the thermal mass can actively participate in balancing heat flows. In environments such as cold climates with long winters, the thermal benefits are less pronounced. Thermal mass can provide shelter from extreme temperatures during power outages by maintaining the indoor temperatures in the buildings. However, this aspect of thermal mass was not part of this study.
Mass timber walls efficiently shifted heating and cooling energy demand to other hours away from the peak demand hour, thus helping the grid. As a result, the peak demand for heating and cooling was 30%– 50% lower with mass timber depending on the month and location. Finally, based on the simulations,
mass timber walls improved thermal comfort by reducing the uncomfortable hours by up to 46%
Auswirkungen von Massiv-holzwänden auf Energieverbrauch, Spitzenbedarf und Wärmekomfort von Gebäuden
In dieser Forschungsstudie wurden die Auswirkungen von Massivholz auf den Energieverbrauch, die Spitzenlast und den thermischen Komfort in Gebäuden untersucht. Zunächst wurden Labortests im ORNL durchgeführt, um die Modellierung anhand der thermischen Reaktion tatsächlicher Wandaufbauten zu validieren. Anschließend wurden effektive Materialeigenschaften erstellt, um die Simulation der Aufbauten mithilfe eines Simulationsmodells für das gesamte Gebäude (EnergyPlus) an drei klimatischen Standorten zu ermöglichen.
Die Ergebnisse zeigen erhebliche Auswirkungen der thermischen Trägheit der Massivholzwand-Baugruppen auf den jährlichen Energieverbrauch – insbesondere auf den Spitzenbedarf im Vergleich zu den Standard-Leichtbauwandsystemen 2×4 und 2×6. In dieser Studie lagen die jährlichen Energieeinsparungen mit Massivholzwänden im Vergleich zu den
Leichtbauwänden der Basislinie je nach Klimazone bei bis zu 22 %. Die Ausnahme bildete die massive Massivholzwand mit einem 72 % höheren U-Wert als die Basiswand, die in Golden, Colorado, einen um 12 % höheren Heiz- und Kühlenergieverbrauch aufwies. Darüber hinaus sparten die Leichtbauwände mit extremem Dämmwert (R-100-Dauerdämmung) weniger Kühlenergie als die Massivholzwände. Die Ergebnisse zeigen, dass, wenn der Schwerpunkt auf der Senkung des Kühlenergieverbrauchs liegt, mehr Dämmung nicht unbedingt die Lösung ist, sondern stattdessen die Zugabe von thermischer Masse. Die Zugabe von thermischer Masse ist am effektivsten in Klimazonen mit großen Schwankungen der Tagestemperaturen, da die thermische Masse dann aktiv am Ausgleich der Wärmeströme beteiligt sein kann. In Umgebungen wie kalten Klimazonen mit langen Wintern sind die thermischen Vorteile weniger ausgeprägt. Thermische Masse kann bei Stromausfällen Schutz vor extremen Temperaturen bieten, indem sie die Innentemperaturen in den Gebäuden aufrechterhält. Dieser Aspekt der thermischen Masse war jedoch nicht Teil dieser Studie.
Massenholzwände verlagerten den Heiz- und Kühlenergiebedarf effizient auf andere Stunden außerhalb der Spitzenbedarfszeit und entlasteten so das Stromnetz. Infolgedessen war der Spitzenbedarf für Heizung und Kühlung je nach Monat und Standort um 30 % bis 50 % niedriger, wenn Massivholz verwendet wurde. Schließlich verbesserten Massivholzwände auf der Grundlage der Simulationen
den thermischen Komfort, indem sie die Anzahl der Stunden mit unbehaglichen Temperaturen um bis zu 46 % reduzierten.