WÄRMEÜBERTRAGUNG

Swegon Klimasysteme mit Wasserkühlung 2004
www.swegon.se

WÄRMEÜBERTRAGUNG

WÄRMEÜBERTRAGUNG

WÄRMEÜBERTRAGUNG

Der Wärmeaustausch des Menschen mit der Umgebung erfolgt hauptsächlich auf drei verschiedene Weisen, nämlich:

Wärmeabgabe durch Strahlung an umgebende Flächen oder in freie Räume.
Wärmeabgabe durch Konvektion an die umgebende Luft.
Wärmeabgabe durch Verdunsten von Flüssigkeit, welche in der Hauptsache durch Schwitzen erfolgt.

Auch eine vierte Form des Wärmeaustausches kann durch die Übertragung an feste oder flüssige Gegenstände in direktem Kontakt mit der Körperoberfläche vorkommen. In normalen Fällen ist jedoch dieser Teil so gering, so dass er unerheblich ist.

Strahlungswärme

Strahlungswärme wird ständig von wärmeren an kältere Flächen abgegeben und nimmt mit dem Temperaturunterschied zwischen diesen zu. Der Austausch von Strahlungswärme ist zusammenfassend von folgenden Faktoren abhängig:

der Größe und Platzierung der Flächen = Raumwinkelverhältnis zu einander
den unterschiedlichen Temperaturen der Flächen
der Beschaffenheit der Flächen, die die Emissions- und Absorptionszahlen bestimmt, d.h. die Fähigkeit, Strahlungswärme aufzunehmen bzw. abzugeben.

Man unterscheidet zwischen zwei Typen von Strahlungswärme:

Hochtemperaturstrahlung von Körpern mit Temperaturen von über ca. +500 °C
Niedrigtemperaturstrahlung von Körpern mit Temperaturen von unter ca. +250 °C

Obenstehende Temperaturgrenzen sind nur ungefähre Angaben.

Bei Berechnungen des Raumklimas im Temperaturbereich -50 bis + 100 °C erfolgt der Wärmeaustausch zwischen den Raumflächen mit Hilfe einer langwelligen Niedrigtemperaturstrahlung. Durch Emission und Absorption von bzw. zur Raumluft ist auch der Strahlungsaustausch vollständig unerheblich. Bei Berechnungen der Wärmebilanz des Raumes sind somit nur die Niedrigtemperaturstrahlung zwischen den verschiedenen Raumflächen, Wänden, Böden, Decken, Möbeln, Heizungen usw. sowie von der Sonne eventuell generierte Hochtemperaturstrahlung zu berücksichtigen.

Der Wärmeaustausch durch Strahlung zwischen den Raum trennenden Flächen wird normalerweise mit nachstehender Gleichung ausgedrückt.

P_S = a_S • A₁ • (t₁ - t_m) [W]

PS = Ergebnis der Heizleistung in W zwischen der Fläche A₁ in m², die die Temperatur t₁ aufweist, mit sämtlichen sonstigen Raumflächen, die gemeinsam eine durchschnittliche Flächentemperatur t_m haben.
a_S = Wärmeübergangszahl für Strahlung in W/m² K
e₀ = Emissionszahl

Mit guter Genauigkeit (Abweichung geringer als ca. 2,5 %) kann a_S innerhalb des Temperaturbereiches 0 bis + 100 °C für t₁ und t_mfestgelegt werden.

a_S= e₀ • (4,38 + 0,034 • (t₁ + t_m)) [W/m² K]

Abbildung 4. Der Strahlungsaustausch erfolgt zwischen allen Flächen, die unabhängig von der Richtung verschiedene Temperaturen aufweisen.

Konvektion

Ist eine Fläche wärmer als die Raumluft, gibt diese Wärme an die Raumluft ab. Auf die gleiche Art und Weise gibt die Raumluft Wärme an eine Fläche ab, die kälter als die Raumluft ist. Diese Form der Wärmeübertragung wird Konvektion genannt und wie folgt eingeteilt:

Eigenkonvektion
Erzwungene Konvektion

Eigenkonvektion wird aus Unterschieden der Dichte in den verschiedenen Luftschichten erhalten, welche vom Temperaturunterschied zwischen der Luft und verschiedenen Körpern, die von der Luft umströmt werden, erzeugt werden. Die Luft in unmittelbarer Nähe der Körperoberfläche erhält eine andere Temperatur als die Luft außerhalb deren Grenzschicht, wodurch die verschiedenen Schichten wiederum eine unterschiedliche Dichte erhalten und in Bezug auf die Form der Körper, Temperaturabweichungen und Position unterschiedliche Typen von Strömungen entstehen.

Erzwungene Konvektion wird zum Beispiel beim Einblasen mit Hilfe eines Ventilators erreicht, d.h. der Ventilator bestimmt die Strömung der Luft.
In diesem Fall wird die Luft um die Flächen der Körper von anderen Kräften als des Dichteunterschieds angetrieben.

Zusammenfassend wird die konvektive Wärmeübertragung der Luftströmung entlang der Körperfläche, von der Größe der Fläche und des Temperaturunterschieds zwischen Körper und Luft beeinflusst.

Der Wärmeaustausch per Oberflächeneinheit steigt bei zunehmender Luftgeschwindigkeit, erhöhter Größe der Fläche und einem höheren Temperaturunterschied zwischen Körperfläche und Luft.

Induktion

Induktion ist eine Form von erzwungener Konvektion, die entsteht, wenn ein Luftstrahl mit hoher Geschwindigkeit die stillstehende Luft passiert, die in diesem Fall mit dem Luftstrahl mitgezogen wird. Das Volumen des Luftstrahls nimmt hierbei zu.

Das Induktionsprinzip findet sowohl in aktiven Kühlbaffeln (Kühlbaffeln mit integrierter Zuluft) als auch in Induktionsgeräten Anwendung, siehe Abschnitt KÜHLUNG VON RÄUMEN.

Verdunstung

Wenn Flüssigkeit in Gasform übergeht, wird Wärme durch Dampfbildung verbraucht. Schwitzt ein Mensch, wird diese Dampfbildungswärme zum großen Teil von der Körperfläche genommen, die hierdurch abgekühlt wird. Der Mensch gibt Wärme durch Verdunstung ab. Der Wärmeaustausch durch Verdunstung und Konvektion erfolgt ebenfalls über die Atmung.

Die Wärmeabgabe als Folge von Verdunstung beruht auf der relativen Feuchtigkeit der Raumluft. Bei normalen Raumtemperaturen zwischen ca. +18 °C bis +25 °C und normaler relativer Feuchtigkeit von ca. 20 – 50 % ist diese Beeinflussung jedoch sehr gering.

Wird die Feuchtigkeit nicht auf einem guten Niveau, max. 45 % bei 25 °C, gehalten, sondern steigt nach oben 60 % RH, wird außerdem die Hautoberfläche feucht. Trifft dies ein, wird die Dampfbildung erschwert. Es ist deshalb wichtig, dass die Klimaanlage so ausgelegt ist, dass sie keinen allzu hohen Feuchtigkeitsgehalt im Gebäude zulässt. Dies erfolgt, indem das zentrale Zuluftaggregat und die Komfortkühlanlage mit ausreichend Kühlkapazität versorgt werden, um die Luft vor der Zufuhr zum Raum zu entfeuchten, siehe auch Abschnitt Kondensationsschutz.

Abbildung 5. Wärmeabgabe vom Körper bei unterschiedlichen Typen von Arbeit.A = Konvektion B = Strahlung C = Evaporative Abgabe1 = Totale Ruhe 2 = Leichte Büroarbeit 3 = Normale Büroarbeit 4 = Arbeit mit dem Computer 5 = Leichte körperliche Arbeit 6 = Ruhiger Spaziergang 7 = Lackierarbeit

Abbildung 6. Erzwungene Konvektion.