Warum sich Häuser oft wärmer anfühlen, als der Thermostat vermuten lässt

Aug 30, 2023

Außerordentlicher Professor für Architektur, nachhaltige Bauumgebungen und Marketing, University of Arizona

Jonathan Bean ist Co-Direktor des Institute for Energy Solutions innerhalb des Arizona Institute for Resilience an der University of Arizona und Vorstandsmitglied der Phius Alliance.

Die University of Arizona stellt als Mitglied von The Conversation US finanzielle Mittel bereit.

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Stellen Sie sich zwei Häuser in derselben Straße vor: eines wurde in den 1950er-Jahren gebaut, das andere in den 1990er-Jahren. Es gibt keine Bäume oder anderen Schatten. Die Klimaanlagen sind identisch, wurden kürzlich ausgetauscht und funktionieren einwandfrei. Identische Thermostate sind auf 27,8 Grad Celsius eingestellt.

Wenn es draußen 43,3 °C (110 °F) ist, wird sich das Haus aus den 1950er-Jahren selbst bei gleicher Lufttemperatur im Inneren wahrscheinlich mindestens 5,6 °C (10 °F) wärmer anfühlen.

Warum?

Die Antwort liegt in der Strahlungswärme. Strahlungswärme hält Sie in einer kalten Winternacht am Lagerfeuer wohlig warm. Das Feuer erwärmt die Luft nicht sehr; Vielmehr gelangt die Hitze des Feuers, ähnlich wie bei der Sonne, durch unsichtbare Wellen direkt vom Lagerfeuer zu Ihrem Körper.

In der strahlenden Hitze der Sonne Arizonas kann die Oberflächentemperatur der nicht isolierten Balkendecken in meinem Haus, einem von 41.000 in Tucson in der Nachkriegszeit gebauten Häusern, über 37,8 °C (100 °F) erreichen. Die einfach verglasten Stahlfenster haben eine Temperatur von 50 °C und die nicht isolierten Betonblockwände sind nicht viel kühler.

An dreistelligen Tagen kann es sich in meinem Haus anfühlen, als stünde ich in der Nähe eines Lagerfeuers, selbst wenn die Klimaanlage brüllt, um die Temperatur auf 23,9 °C (75 °F) aufrechtzuerhalten. Und wenn das System zusammenbricht – wie während der langanhaltenden Hitzewelle 2023, als Phoenix wochenlang jeden Tag 110 F (43,3 C) erreichte – steigen die Temperaturen gefährlich schnell an. Ohne Klimaanlage wirken die heißen Oberflächen und der Luftwirbel des Deckenventilators im Haus wie in einer Heißluftfritteuse.

Während die Menschen es gewohnt sind, darüber nachzudenken, wie sich Kleidung, Luftbewegung, Temperatur und Luftfeuchtigkeit auf den Komfort auswirken, helfen zwei weniger bekannte Messgrößen zu erklären, wie sie Komfort in Innenräumen empfinden:

Mittlere Strahlungstemperatur. Dies ist die durchschnittliche Temperatur aller Oberflächen, die uns umgeben: Decke, Fenster, Wände, Boden. Damit sich Strahlungswärme zwischen einem Objekt und dem menschlichen Körper bewegen kann, ist eine ununterbrochene Sichtlinie erforderlich. Daher haben Decken und freie Fenster einen großen Einfluss auf die Strahlungstemperatur, die an einem bestimmten Ort in einem Haus herrscht.

Betriebstemperatur. Dies kann durch Mittelung der mittleren Strahlungstemperatur und der durchschnittlichen Lufttemperatur in einem Raum näherungsweise ermittelt werden. Andere Berechnungen der Betriebstemperatur berücksichtigen die Auswirkungen von Luftbewegung, Luftfeuchtigkeit und weiteren Variablen. Etwa die Hälfte Ihres Komfortempfindens wird von der strahlenden Umgebung bestimmt.

Leider setzt eine ganze Branche von Herstellern, Zulieferern, Bauherren und Handwerkern, wie der Bauwissenschaftler Robert Bean (kein Verwandter) sagt, thermische Behaglichkeit fälschlicherweise mit Lufttemperaturen gleich. Das Ergebnis ist, dass die meisten Menschen überhaupt nicht wissen, was einen Raum tatsächlich behaglich – oder unangenehm heiß – macht.

An einem heißen, sonnigen Tag verlangsamen eine gute Isolierung und Doppelglasfenster die Wärmeübertragung so weit, dass die Klimaanlage die mittlere Strahlungstemperatur im Inneren des Gebäudes innerhalb weniger Grad der Lufttemperatur halten kann.

Allerdings kann in einem unzureichend isolierten Gebäude wie meinem Haus oder in einigen älteren Sozialwohnungsprojekten in Phoenix die hohe mittlere Strahlungstemperatur die Betriebstemperatur auf über 90 F (32,2 C) ansteigen lassen – selbst wenn der Thermostat auf 75 F eingestellt ist (23,9 °C). Wenn die Oberflächentemperatur die Temperatur unserer Haut übersteigt, beginnt Wärme von der heißen Oberfläche in den Körper zu strahlen, was die Wahrscheinlichkeit eines Hitzschlags erhöht.

Während die genaue Grenze, ab der Überhitzung gefährlich wird, umstritten ist, sind sich die meisten Menschen einig, dass 32,2 °C (90 °F) viel zu warm sind, um sich wohl zu fühlen.

Heiße Oberflächen sind der Grund dafür, dass kleinere Gebäude, wie Mobilheime, Tiny Homes, Schiffscontainer und Garagen, die in Wohnungen umgewandelt wurden, unabhängig von der Thermostateinstellung oft ein unangenehmes Gefühl haben. Bei kleineren Gebäuden stehen den Bewohnern drei, vier oder sogar sechs Oberflächen zur Verfügung, wobei die Außenseite der Sonne und der heißen Außenluft ausgesetzt ist. Mehr warme Oberflächen, mehr Unbehagen.

Wenn Sie in einem unzureichend isolierten Gebäude wohnen und kein Problem damit haben, mehr Strom zu verbrauchen, können Sie den Thermostat niedriger einstellen. Wenn die mittlere Strahlungstemperatur jedoch hoch ist, fühlt sich ein Abfall der Lufttemperatur um 1,1 °C (2 °F) wie nur 0,6 °C (1 °F) an – und Sie werden sich aufgrund der heißen Oberflächen immer noch unwohl fühlen.

Wenn Sie Ihr Dach isolieren und Einscheibenfenster durch Doppelscheibeneinheiten mit Glas mit niedrigem Emissionsgrad (Low-E) ersetzen, können Sie die mittlere Strahlungstemperatur und Ihre Energiekosten senken. Es handelt sich zwar um kostspielige Verbesserungen, aber neue Bundessteuergutschriften und bevorstehende Ermäßigungen, die von den einzelnen Bundesstaaten verwaltet werden, können helfen.

Bäume, Markisen und Außenbeschattungen können auch die mittlere Strahlungstemperatur senken, indem sie direkte Sonneneinstrahlung blockieren. Allerdings ist Glas ein schlechter Isolator, so dass es in sehr heißen Klimazonen auch bei vollständig vor der Sonne geschützten Einscheibenfenstern immer noch unangenehm warm werden kann.

Das Anbringen eines Vorhangs im Inneren – und das geschlossene Halten des Vorhangs – kann dazu beitragen, die mittlere Strahlungstemperatur zu senken, da der Vorhang näher an der Lufttemperatur liegt als das Glas.

Mieter in älteren, unzureichend isolierten Gebäuden sind oft nicht in der Lage, hohe Energierechnungen zu bezahlen, und Vermieter sind möglicherweise nicht in der Lage oder nicht willens, kostspielige Sanierungen vorzunehmen. Erschwerend kommt hinzu, dass ältere Klimaanlagen für die gleiche Kühlmenge zwei- bis dreimal so viel Energie verbrauchen wie neuere Geräte.

Da die Schaffung einer angenehmen Betriebstemperatur eine niedrigere Einstellung des Thermostats erfordert, muss ein HVAC-System in einem unzureichend isolierten Gebäude länger und härter arbeiten, verbraucht mehr Energie und erhöht die Kosten weiter. Und die Kosten für Unannehmlichkeiten sind nicht nur finanzieller Natur: Heiße Gebäude haben auch negative Auswirkungen auf Gesundheit und Produktivität.

Millionen Amerikaner leben heute an Orten, an denen die Kühlung das Einzige ist, was ein Massenunfallereignis verhindert. In Phoenix verlangt die Stadtordnung, dass Mieteinheiten, die durch Klimaanlage gekühlt werden, eine Temperatur von nicht mehr als 82 F (27,8 C) aufrechterhalten müssen, gemessen 3 Fuß über dem Boden in der Mitte des Raums. Leider gibt der Code nicht an, ob 82 F die Betriebstemperatur oder die Lufttemperatur ist.

Dieses eine Wort macht einen großen Unterschied.

In einem älteren, unzureichend isolierten Gebäude, das meinem Haus ähnelt – oder, was im schlimmsten Fall der Fall sein könnte, in einem sonnengetrockneten südwestlichen Teil des obersten Stockwerks eines nicht isolierten Betonhochhauses – herrscht eine scheinbar sichere Lufttemperatur von 82 °C F kann leicht gefährliche Betriebstemperaturen von 96 F (35,6 C) oder mehr verdecken.

Als Professor für Architektur und Bauwissenschaften glaube ich, dass die heutigen byzantinischen Bauvorschriften und Mietvorschriften im Hinblick auf den Komfort erheblich verbessert werden könnten, indem die mittlere Strahlungstemperatur anstelle der Lufttemperatur reguliert wird. Große Teile des Codes könnten über Bord geworfen werden, indem vorgeschrieben wird, dass Innenflächen, die mit einem kostengünstigen Infrarot-Thermometer leicht zu messen sind, in einem Komfortbereich über 15,6 °C (60 °F) und 29,4 °C (85 °F) gehalten werden müssen.

Für komfortablere Gebäude können Architekten und Ingenieure einfache, etablierte Prinzipien wie natürliche Belüftung, Beschattung sowie die richtige Isolierung und Fenster für das Klima anwenden. Wenn wir die Wärme von vornherein draußen halten, müssen wir nicht so viel Energie für die Kühlung aufwenden. Untersuchungen zeigen, dass diese Maßnahmen uns auch sicherer machen können, indem sie Gebäude bei sommerlichen Stromausfällen länger kühl halten.

Das erfreuliche Ergebnis: Häuser und andere Gebäude, die nicht nur komfortabler, sondern auch sicherer und kostengünstiger im Betrieb sind.