Wärmeübertragung pur?

Die Siedler haben lange überlegt, wie sie die Energie der Elemente Luft, Sonne, Erde und Wasser am besten nutzen können, um ihr winterliches Energieproblem zu lösen. Ihr Interesse galt zunächst der optimalen Nutzung der Elemente ‚Luft‘ und ‚Sonne‘.

Wie wird Wärme – im Winter, effizient – übertragen?

Der ‚Wärmesammler‘ der Siedler ist ein Kollektor, der bereits in dieser Geschichte kurz vorgestellt wurde:

Kollektor zur Energiegewinnung. Bildquelle: punktwissen.

Kollektor zur Gewinnung von Energie aus Umgebungsluft und Sonnenlicht.

Ist dieser Kollektor für die Siedler optimal?

Bei den ‚Elementen‘ Sonnenstrahlung und Umgebungsluft, wird Wärme durch Wärmestrahlung bzw. durch Konvektion übertragen. Zum Vergleich von Kollektoren muss die Effizienz dieser Mechanismen für den konkreten Anwendungsfall überprüft werden.

Wärmeübertragung durch  elektromagnetische Strahlung benötigt kein Medium: Die Kollektormoleküle werden direkt durch die frisch aus dem Weltraum eintreffenden, von der Sonne ausgesendeten, Photonen zu stärkeren Schwingungen angeregt – was einer höheren Temperatur entspricht.

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Jedes Objekt mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt strahlt elektromagnetische Energie ab. Ab ca. 500°C wird die Strahlung sichtbar, bei niedrigen Temperaturen macht eine Infrarotkamera die Strahlung sichtbar. Die Sonne strahlt ‚mit fast 6000°C‘.

Wärmeübertragung durch ‚direkten Molekülkontakt‘ nennt man Wärmeleitung oder Konvektion. Wärmeleitung beschreibt das langsame Vorwärtskriechen des Wärmestroms in einem festen, flüssigen oder gasförmigen Medium, indem wilder schwingende Moleküle oder Atome ihre langsameren Nachbarteilchen anstoßen und diese aufschaukeln.

Konvektion bedeutet, dass die Wärme der zappelnden Teilchen zusätzlich transportiert wird; der Transportstrom ist eine gerichtete Bewegung – zusätzlich zum nicht gerichteten Zappeln, das eben einer bestimmten Temperatur entspricht. Der Antrieb für diesen Strom kann eine Umwälzpumpe sein,  oder auch die natürliche ‚Pumpe‘ des Auftriebs: Heiße Luft steigt auf.

Maxwell-Distribution

Geschwindigkeitsverteilung von Stickstoffmolekülen bei unterschiedlichen Temperaturen. Heißere Teilchen (gelb) haben eine höhere mittlere Geschwindigkeit als kühlere Teilchen (blau).

Nachdem Wärme mit dem Kollektor aus der Luft gesammelt werden soll, müssen die Luftmoleküle ihre Energie an der Grenzfläche Kollektor / Luft effizient loswerden. Effizient kann das nur sein, wenn die Energie von Ort der Übergabe schnell weg transportiert wird. Aus diesem Grund muss der hohle Kollektor von einer Flüssigkeit durchflossen werden.

Egal wie die Wärme übertragen wird – sie fließt immer vom heißeren zur kälteren Objekt. In vielen Fällen kann man die Wärmeübertragung durch mehrere Schichten und Grenzflächen hindurch durch eine einzige Zahl beschreiben: Der Wärmestrom (in Watt pro Fläche) ist proportional zur Temperaturdifferenz ‚innen‘ und ‚außen‘; den Proportionalitätsfaktor nennt man Wärmedurchgangskoeffizient. In der Bauphysik ist auch die Bezeichnung ‚U-Wert‘ üblich.

Konvektion

Temperaturverlauf im einer Wand, die zwei Medien voneinander trennt: In der Wand wird die Wärme durch Wärmeleitung übertragen in den Grenzbereichen (gekrümmter Verlauf) durch Konvektion.

Ein solarthermischer Flachkollektor, wie er für die Warmwasserbereitung verwendet wird, ist optimiert für die Wärmeübetragung durch Strahlung: Die Glasplatte verhindert Wärmeübertragung durch Konvektion: Durch die – verbleibende – Konvektion treten unerwünschte Verluste auf, da der durch die Strahlung aufgeheizte Kollektor heißer ist als die Umgebungsluft.

Solar collectors (Solti sorkollektor verseny)

Selbst gebaute Flachkollektoren (Ungarn). Österreich hat eine lange Tradition als Solarthermieland – diese Tradition wurde durch einen Selbstbaubewegung begründet, die mittlerweile durch kommerzielle Kollektorherstellung abgelöst wurde.

Ein nicht abgedeckter Schlauchkollektor oder ‚Schwimmbadkollektor‘ (wie er von den Siedlern verwendet wird) hat noch höhere Konvektionsverluste, wenn er ähnlich wie ein Flachkollektor eingesetzt und durch Strahlung gespeist wird: Die fehlende Abdeckung macht die Konvektion effizienter.

Ist der Kollektor also wärmer als die Umgebung, führt die Konvektion zu einem Verlust dar. Hat allerdings der Kollektor eine geringere Temperatur als die Umgebungsluft, dann wird genau das zum Vorteil und es wird effizient Energie von der Umgebungsluft an das Medium im Kollektor übertragen.

Der einfachere Schlauchkollektor ist in diesem Sinn dem Flachkollektor überlegen – Voraussetzung ist natürlich, dass man mit einer vergleichsweise niedrigen Temperatur der Kollektorflüssigkeit zufrieden ist! Aber wie hier kurz gezeigt wurde, kann man auch eine vergleichsweise kühle ‚Wärmequelle‘ sinnvoll nutzen.

3 Gedanken zu „Wärmeübertragung pur?

  1. Servus Elke! Es ist lange her , dass wir uns gesehen haben, es war im Zusammenhang mit meiner Arbiet mit Microsoft.

    Ich finde eure Idee sehr gut und man merkt die physikalische Ausbildung mit jedem Argument. Was mir fehlt, vielleicht habe ich die Details nicht gefunden sind Bezugsquellen, alternative Bunkerformen usw. Was ist wenn ich einen Betonbunker baue, oder meine Zysterne (8m3) dafür verwende? Was ist mit der Ausdehung von Eis. Wird es meine Zysterne sprengen usw, Welche Wärempumpe wurde verwendet. Die Dokumentation der Berechnungen ist einwandfrei.

    Vielen Dank für eure Mühe

    Josef

    • Hallo Josef!
      Ja, ich kann mich erinnern! 🙂 Danke für den Kommentar!

      Zu Deinen Fragen:

      Wir haben ausführliche Informationen auf unserer Website zusammengestellt:
      http://punktwissen.at/waermepumpe

      Bezugsquellen: Alle Komponenten sind Standardkomponenten, eine herstellerneutrale Übersicht über die benötigten Komponenten ist in unserer Kostenübersicht enthalten:
      http://punktwissen.at/pdf/punktwissen-W%C3%A4rmepumpe-LEO-Kosten%C3%BCbersicht.pdf

      Wärmepumpe: ist eine Standard-Sole-Wasser-Wärmepumpe in der „Minimalausführung“ ohne spezielles Zubehör.

      Bauformen: Für die Verlegung des Wärmetauschers (Hier steckt unser Know-How drin ;-)) ist eine Quaderform optimal. Durch die Geometrie des Wärmetauschers und die Durchflussrichtung wird gewährleistet, dass der Tank nicht gesprengt wird.

      LG,
      Elke

  2. Pingback: Der Kollektor | punktwissen

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