Wärmedämmung. Didaktik der Anwendung der Physik

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1 Wärmedämmung Didaktik der Anwendung der Physik Johanna Zeil Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften Technische Universität Dresden Deutschland / 19

2 Inhaltsübersicht 1. Bedeutung und Relevanz 2. Lehrplananlyse 3. Arten der Wärmeausbreitung 4. Bauphysik 4.1 Transmissionswärmeverlust 4.2 Kompaktheit und A/V-Verhältnis 4.3 Methodische Umsetzung 5. Biologie 5.1 Ökogeographiesche Regeln 5.2 Bionik: Transparente Wärmedämmung 5.3 Methodische Umsetzung 6. Literatur / 19

3 Bedeutung und Relevanz Bedeutung und Relevanz Anwendungsfähiges Wissen Energieversorgung und Energieeinsparverordnung EnEV Anteil der Energie für das Heizen und damit das Potential mit Wärmedämmung Energie zu sparen Kosten KfW Förderung für Niedrigenergie-Häuser Umweltschutz / 19

4 Lehrplananlyse Lehrplananalyse Klasse 6 Vorwissen aus Klasse 6: Temperatur und Temperaturmessung nicht: Wärme, Wärmeübertragung, Wärmeleitfähigkeit, / 19

5 Lehrplananlyse Lehrplananalyse Klasse / 19

6 Lehrplananlyse Lehrplananalyse Klasse / 19

7 Arten der Wärmeausbreitung Arten der Wärmeausbreitung Fachlicher Hintergrund Wärmeströmung Wärmeleitung Wärmestrahlung in strömenden Flüssigkeiten und Gasen in Feststoffen feste, flüssige und gasförmige Stoffe und auch im Vakuum / 19

8 Arten der Wärmeausbreitung Arten der Wärmeausbreitung Fachlicher Hintergrund Wärmeströmung Wärmeleitung Wärmestrahlung in strömenden Flüssigkeiten und Gasen in Feststoffen Reduzierung durch feste, flüssige und gasförmige Stoffe und auch im Vakuum Verhindern der Bewegung des Wärmetransportmittels Verwendung von Stoffen wie z.b. Glas, Plastik, Holz Reflexion / 19

9 Arten der Wärmeausbreitung Arten der Wärmeausbreitung Umsetzung helle Kleidung Aluminiumfolie hinter einem Heizkörper Lagerfeuer erwärmt die Person Fettschicht bei Robben Doppelglasfenster mit Vakuum Golfstrom Antrieb der Weihnachtspyramide festes Verschließen einer Thermoskanne Sonne erwärmt die Erde Erwärmung der Lötkolbenspitze Dämmwolle beim Hausbau Erwärmung eines Metalllöffels im heißen Tee / 19

10 Arten der Wärmeausbreitung Arten der Wärmeausbreitung Umsetzung Wärmeströmung Wärmeleitung Wärmestrahlung Golfstrom Antrieb der Weihnachtspyramide Erwärmung der Lötkolbenspitze Erwärmung eines Metalllöffels im heißen Tee Sonne erwärmt die Erde Lagerfeuer erwärmt die Person / 19

11 Arten der Wärmeausbreitung Arten der Wärmeausbreitung Umsetzung Wärmeströmung Wärmeleitung Wärmestrahlung Golfstrom Antrieb der Weihnachtspyramide Doppelglasfenster mit Vakuum festes Verschließen einer Thermoskanne Erwärmung der Lötkolbenspitze Erwärmung eines Metalllöffels im heißen Tee Reduzierung durch Dämmwolle beim Hausbau Fettschicht bei Robben Sonne erwärmt die Erde Lagerfeuer erwärmt die Person Aluminiumfolie hinter einem Heizkörper helle Kleidung / 19

12 Bauphysik Bauphysik Transmissionswärmeverlust Transmissionswärmeverlust Normheizlast Φ HL (Wärmeleistung, Wärmestrom): Φ T Φ V Norm-Transmissionswärmeverlust Norm-Lüftungswärmeverlust Φ HL = Φ T + Φ V (1) / 19

13 Bauphysik Bauphysik Transmissionswärmeverlust Transmissionswärmeverlust Normheizlast Φ HL (Wärmeleistung, Wärmestrom): Φ T Φ V Norm-Transmissionswärmeverlust Norm-Lüftungswärmeverlust Φ HL = Φ T + Φ V (1) Φ T = H T (θ int θ e ) (2) H T θ int θ e Transmissionswärmeverlust-Koeffizient Norm-Innentemperatur Norm-Außentemperatur / 19

14 Bauphysik Bauphysik Transmissionswärmeverlust Transmissionswärmeverlust Normheizlast Φ HL (Wärmeleistung, Wärmestrom): Φ T Φ V Norm-Transmissionswärmeverlust Norm-Lüftungswärmeverlust Φ HL = Φ T + Φ V (1) Φ T = H T (θ int θ e ) (2) H T θ int θ e Transmissionswärmeverlust-Koeffizient Norm-Innentemperatur Norm-Außentemperatur H T = A u (3) A u Fläche Wärmedurchgangskoeffizient ohanna Zeil (Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften Technische Universität Wärmedämmung Dresden Deutschland) / 19

15 Bauphysik Bauphysik Transmissionswärmeverlust Transmissionswärmeverlust Normheizlast Φ HL (Wärmeleistung, Wärmestrom): Φ T Φ V Norm-Transmissionswärmeverlust Norm-Lüftungswärmeverlust Φ HL = Φ T + Φ V (1) Φ T = H T (θ int θ e ) (2) H T θ int θ e Transmissionswärmeverlust-Koeffizient Norm-Innentemperatur Norm-Außentemperatur H T = A u (3) A u Fläche Wärmedurchgangskoeffizient H T A und u λ ohanna Zeil (Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften Technische Universität Wärmedämmung Dresden Deutschland) / 19

16 Bauphysik Kompaktheit und A/V-Verhältnis Kompaktheit und A/V-Verhältnis A Volumen V A/V-Verhältnis = Oberfläche / 19

17 Bauphysik Kompaktheit und A/V-Verhältnis Kompaktheit und A/V-Verhältnis Mit wachsendem Volumen nimmt das A/V-Verhältnis stets ab / 19

18 Umsetzung Bauphysik Methodische Umsetzung Experimente Kompaktheit: Körper aus Knete (V = konst), Temperaturmessung, Gefäß mit Eiswasser, Abkühlung grafisch darstellen. Wärmeleitung verschiedener Materialien: Reagenzglas im Becherglas, in den Zwischenraum verschiedene Materialien (Holzwolle, Erde, Styropor, etc.). Thermometer mit Gummistopfen. Temperaturkurve messen, Abkühlungsprozess analysieren / 19

19 Bauphysik Methodische Umsetzung Umsetzung Experimente Kompaktheit: Körper aus Knete (V = konst), Temperaturmessung, Gefäß mit Eiswasser, Abkühlung grafisch darstellen. Wärmeleitung verschiedener Materialien: Reagenzglas im Becherglas, in den Zwischenraum verschiedene Materialien (Holzwolle, Erde, Styropor, etc.). Thermometer mit Gummistopfen. Temperaturkurve messen, Abkühlungsprozess analysieren. Problemstellungen Verbrauchswerte der Schule recherchieren, entwickeln von Energiesparmaßnahmen Entwürfe: Wie werden wir zukünftig bauen? Einbindung verschiedener Perspektiven (Ökologie, Ökonomie, Ästhetik, Gesellschaft,...) / 19

20 Biologie Ökogeographische Regeln Ökogeographiesche Regeln Bergmannsche Regel / 19

21 Biologie Ökogeographische Regeln Allensche Regel Ökogeographiesche Regeln / 19

22 Biologie Bionik: Transparente Wärmedämmung Bionik Transparente Wärmedämmung Das Eisbärenfell Haare der Eisbären sind transparent (Hohlraum aus Luft) Schwarze Haut unter dem Fell Luftpolster zur Isolation Sonnenlicht fällt durch das Fell hindurch Schwarze Haut absorbiert die Strahlung ohanna Zeil (Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften Technische Universität Wärmedämmung Dresden Deutschland) / 19

23 Biologie Bionik: Transparente Wärmedämmung Bionik Transparente Wärmedämmung Das Eisbärenfell Haare der Eisbären sind transparent (Hohlraum aus Luft) Schwarze Haut unter dem Fell Luftpolster zur Isolation Sonnenlicht fällt durch das Fell hindurch Schwarze Haut absorbiert die Strahlung ohanna Zeil (Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften Technische Universität Wärmedämmung Dresden Deutschland) / 19

24 Umsetzung Biologie Methodische Umsetzung Konzept: Fächerverbindung "Wärmeisolation in Physik und Biologie" / 19

25 Umsetzung Biologie Methodische Umsetzung Konzept: Fächerverbindung "Wärmeisolation in Physik und Biologie" Experiment zur Absorption: / 19

26 Literatur Literatur Textquellen: Knittel, Corinne: Wärmedämmung und wärmetechnische Kompaktheit von Gebäuden. In: Naturwissenschaften im Unterricht. Physik, 21 (2010) 115, S Hepp, Ralph; Rost, Peter; Schmidt, Heike: Wärmeausbreitung und Wärmedämmung. In: Naturwissenschaften im Unterricht. Physik, 21 (2010) 115, S Bappert, Reiner; Kaysers, Antje; Neuhaus, Anke: Bionik. Unterrichtsmaterialien für Schulen. Landesmuseum für Technik und Arbeit. Mannheim (2013) Internetquellen: / 19

27 Literatur Literatur Bildquellen: A/V-Verhältnis Bergmannsche Regel Allensche Regel Transparente Wärmedämmung / 19