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Wärmestromdichte: Definition und Anwendung
Die Wärmestromdichte ist eine physikalische Größe. Sie gibt an, wie viel Wärme in einer bestimmten Zeit und bei einer gegebenen Temperaturdifferenz durch ein Bauteil strömt. Sie lässt sich in Watt pro Quadratmeter (auch W/m²) angeben und ist daher genau genommen eine Leistungsdichte. Was das bedeutet und wann die Größe in der Praxis zur Anwendung kommt, erklären wir in den folgenden Abschnitten.
Die Themen im Überblick:
Definition der Wärmestromdichte
Mit der physikalischen Größe der Wärmestromdichte lässt sich die Änderung der thermischen Energie eines Bauteils beschreiben. Sie definiert dabei eine Leistung, die bei einer bestimmten Temperaturdifferenz über eine gegebene Fläche besteht. Je größer der Betrag ist, umso mehr Energie strömt über die Grenzen eines homogenen Bauteils hinweg. Berechnen lässt sich der Wert aus dem Verhältnis der Wärmemenge, der Fläche und einer Zeiteinheit.
- Wärmestromdichte = Wärmemenge Q (in Wattstunden oder Joule) / [Fläche A (in Quadratmeter) x Zeit dT (in Stunden)]
Aus der Formel ergibt sich die Einheit Watt pro Quadratmeter. Zum besseren Verständnis: Ein Joule (J) entspricht einer Wattsekunde (Ws). Ein Joule geteilt durch den Faktor 3.600 Sekunden pro Stunde ergibt dabei die Einheit Wattstunden (Wh).
Die physikalische Größe in der Praxis
In der Praxis kommt die Wärmestromdichte in verschiedenen Bereichen zum Einsatz. So zum Beispiel bei der Auslegung einer Fußbodenheizung oder zur Untersuchung der Wärmeverluste durch verschiedene Bauteile. Auch bei der Prüfung, ob in einem Bauteil Tauwasser entsteht, findet die physikalische Größe Anwendung.
Der Wärmestrom durch verschiedene Materialien
Wie groß der Wärmestrom durch eine Schicht eines Bauteils ist, hängt neben der Temperaturdifferenz auch von der Wärmeleitfähigkeit des Materials und der Bauteilstärke ab. So lässt sich die Wärmestromdichte auch über folgende Formel ermitteln:
- Wärmestromdichte = [Wärmeleitfähigkeitskoeffizient (in Watt pro Meter und Kelvin) / Stärke des Bauteils d (in Meter)] x Temperaturunterschied dT (in Kelvin)
Der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient ist dabei eine Eigenschaft der verwendeten Materialien. Sie beträgt bei einer Mineralwolledämmung zum Beispiel 0,035 Watt pro Meter und Kelvin (kurz W/mK). Normalbeton hat hingegen einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizient von 2,1 Watt pro Meter und Kelvin. Bei gleichen Temperaturverhältnissen strömt durch eine Betonschicht dabei deutlich mehr Energie, als durch eine gleich starke Schicht aus Mineralwolle.
Die Rolle der Wärmestromdichte im Glaser-Verfahren
Das Glaser-Verfahren beschreibt eine Methode, mit der sich ermitteln lässt, ob Tauwasser in einer Konstruktion anfallen kann. Mit dem Wissen über die Dichte des Wärmestroms und die Eigenschaften verschiedener Baustoffe können Experten dabei den Temperaturverlauf durch eine mehrschichtige Konstruktion bestimmen. Dieser gibt Aufschluss über die jeweiligen Wasserdampfsättigungsdrücke und ist somit wichtig, um die Tauwasserbildung nachzuweisen.
Fazit von Alexander Rosenkranz
Die Wärmestromdichte gibt an, wie viel Wärme bei einer Temperaturdifferenz über eine definierte Fläche eines Materials strömt. Sie lässt sich in Watt pro Quadratmeter angeben und ist eine sogenannte Leistungsdichte. Zum Einsatz kommt die Größe bei der energetischen Beurteilung von Konstruktionen oder beim Tauwasser-Nachweis.
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