Wärmeübertragung: Transport thermischer Energie

Mit Wärmeübertragung wird der Transport thermischer Energie bezeichnet. Dieser findet an vielen Punkten eines Heizsystems statt und kann sowohl den Komfort als auch die Effizienz einer Heizung beeinflussen. Was Wärmeübertragung eigentlich ist, welche Arten man unterscheidet und wo diese in einem Haus auftreten, erklären wir in diesem Beitrag.

Wärmeübertragung durch Strahlung

Erklärung der Wärmeübertragung

Die Wärmeübertragung bezeichnet den Transport von Energie über die Grenzen unterschiedlicher Systeme. Antrieb für diesen physikalischen Prozess ist dabei ein Temperaturunterschied, der zwischen strömenden Medien oder festen Körpern besteht. Dabei gilt generell, dass Wärme nur vom höheren zum niederen Temperaturniveau strömt. Soll die Umweltenergie aus dem Erdreich – die mit etwa 10 Grad Celsius gewonnen wird – auch zum Heizen genutzt werden, ist also eine Wärmepumpe nötig.

Durch den Transport der thermischen Energie verändern sich die Zustände aller beteiligten Stoffe

Diese hebt das Niveau an und ermöglicht die Wärmeübertragung auf das Heizsystem, das auch bei effizienten Gebäuden mit Flächenheizung eine Vorlauftemperatur von mehr als 30 Grad Celsius voraussetzt. Durch den Transport der thermischen Energie verändern sich die Zustände aller beteiligten Stoffe. Während die Temperatur des Gebers in der Regel fällt, steigt die des Empfängers der Wärme an. Eventuell können sich dabei auch die Aggregatzustände der Stoffe ändern. Gibt Wasser zum Beispiel viel Wärme ab, wird es zu Eis. Nimmt es dagegen viel Wärme auf, wird es zu Dampf.

Arten der Wärmeübertragung

Je nach Aggregatzustand der an der Wärmeübertragung beteiligten Stoffe unterscheidet man verschiedene Arten. Diese sind:

  • die Wärmeleitung
  • die Wärmestrahlung
  • die Wärmeübertragung durch Konvektion

Die Wärmeleitung

Die Wärmeleitung beschreibt den Transport thermischer Energie zwischen benachbarten Atomen. Möglich ist das zum Beispiel in ruhenden Fluiden (Gasen oder Flüssigkeiten) oder festen Körpern, wobei die Wärme ohne Verluste immer vom höheren zum niederen Temperaturniveau strömt. Einfach nachvollziehen kann man das zum Beispiel, wenn man einen metallischen Löffel mit einem Ende über eine Kerze hält. Nach einer bestimmten Zeit erwärmt sich dieser dabei auch am anderen Ende.

Während es bei einem Pufferspeicher zum Beispiel darum geht, die Wärmeleitung durch eine starke Dämmung zu mindern, soll sie in einem Wärmeübertrager besonders hoch sein. Denn nur so kann zum Beispiel sichergestellt werden, dass ein hoher Anteil der Verbrennungswärme in einem Heizkessel auch an das Heizungswasser übergeben wird.

Die Wärmestrahlung

Die Wärmestrahlung beschreibt den Transport thermischer Energie über elektromagnetische Wellen. Anders als bei der Leitung oder der Konvektion sind dabei keine Medien notwendig. Die Wärmestrahlung findet daher als einzige Transportform auch in einem Vakuum statt. Wie bei der Sonnenstrahlung wird die abgestrahlte Wärme eines Körpers dabei erst dann spürbar, wenn sie auf einen anderen auftrifft.

Ein Beispiel aus der Heizung ist die Flächenheizung. Denn auch diese überträgt den größten Teil der Wärme über Strahlung und sorgt so für einen hohen Komfort. Ein besonderer Vorteil: Durch diese Art der Wärmeübertragung steigt die empfundene Temperatur auch dann, wenn die Lufttemperatur in einem Raum abgesenkt wird. Mit jedem Grad Celsius können so bis zu 6 Prozent Heizkosten gespart werden.

Die Wärmeübertragung durch Konvektion

Die Konvektion beschreibt den Transport thermischer Energie, gebunden an die Teilchen strömender Medien. Sie tritt immer dann auf, wenn zum Beispiel Gase oder Flüssigkeiten Wärme an festen Oberflächen aufnehmen oder abgeben. Vorstellen kann man sich das zum Beispiel an einem Heizkörper. Hier wird die Energie des Heizungswassers zunächst über Leitung auf die Raumluft und von dieser, durch Konvektion durch den Raum transportiert.

Typisch für die Wärmeübertragung durch Konvektion sind sogenannte konvektive Zellen, bei denen ein Medium zwischen Wärmequelle und -senke zirkuliert. Im Beispiel des Heizkörpers steigt die erwärmte Luft dabei durch die sinkende Dichte auf und gibt die mit sich geführte Wärme an den Raum ab. Dabei kühlt sie selbst ab und strömt zurück zum Heizkörper. Der Kreislauf beginnt nun von vorn. Bei dem Transport der Wärme in einer Pumpen-Warmwasserheizung spricht man übrigens nicht mehr von Konvektion. Grund dafür ist der von außen beeinflusste Wärmetransport über eine Pumpe.

Alexander Rosenkranz

Fazit von Alexander Rosenkranz

Die Wärmeübertragung ist Grundlage für alle thermodynamischen Prozesse in unserem Alltag. Sie beeinflussen dabei zum Beispiel die Effizienz von Wärmeübertragern, die Wirksamkeit einer Dämmung oder den Komfort bei einer Fußbodenheizung.

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