W08. Wärmedämmung. Q = [λ] = W m -1 K -1 (1) d Bild 1: Wärmeleitung. Physikalisches Praktikum

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1 W08 Physklsches Prktkum Wärmedämmung En Modellhus mt usechselbren Setenänden dent zur Bestmmung von Wärmedurchgngszhlen (k-werten) verschedener Wände und Fenster soe zur Ermttlung der Wärmeletfähgket verschedener Mterlen.. Theoretsche Grundlgen Temperturunterschede versuchen sch stets uszuglechen. Deshlb bretet sch Wärme mmer von Stellen höherer Tempertur zu Stellen nedrgerer Tempertur us. De Ausbretung knn uf dre verschedene Arten erfolgen: Durch Wärmeströmung oder konvekton, be der ene Stoffmenge mt hrem Wärmenhlt von ener Stelle n ene ndere strömt, Durch Wärmeletung, be der de Wärme von Telchen zu Telchen übertrgen rd, ohne dss dese dbe hren Ort esentlch verändern. Dese Telchen können je nch dem Stoff Atome, Moleküle oder Elektronen sen. Durch Wärmestrhlung ähnlch der Lchtstrhlung, ohne dss rgenden Stoff de Vermttlung übernehmen muss.. Wärmeletfähgket Wenn uf beden Seten ener Trennnd (Bld ) verschedene Temperturen herrschen, fndet mn expermentell, dss de von der enen zur nderen Sete geletete Wärmemenge Q proportonl zum Flächennhlt des Wndstückes, zur Duer t des Wärmeletvorgnges und zur Temperturdfferenz = ϑ -ϑ 2 uf beden Seten und umgekehrt proportonl zur Wndstärke d st. Bezechnet mn de Proportonltätskonstnte ls Wärmeletfähgket λ, so ergbt sch für Q de Glechung: λ A t Q = [λ] = W m - K - () d Bld : Wärmeletung.2 Wärmedämmung Schlechte Wärmeleter denen n der Technk und m Buesen zur Isolerung gegen Wärmeverluste oder, e mn uch sgt, zur Wärmedämmung. Insbesondere snd Gse, e z.b. Luft schlechte Wärmeleter. Sobld jedoch größere Räume mt Luft erfüllt snd, entsteht ene Wärmeströmung, so dss mn ncht mehr mt der renen Wärmeletfähgket λ, sondern mt ener erhöhten Äquvlentletfähgket λ rechnen muss. De Schutzrkung der mesten Dämmstoffe beruht etgehend uf der Unterbndung der Strömung durch Enschluss der Luft n Poren. Deshlb nmmt uch de Wärmesolton b, enn endrngende Feuchtgket de Luft verdrängt oder enn dchte Pckung de Zhl und Größe der Poren vermndert. Dss de Wärmedämmstoffe zuglech uch ene große Schlldämpfung hben, ht hre Anendung gefördert. 205

2 Physklsches Prktkum.3 Wärmeübergng und Wärmedurchgng (sttonär).3. Wärmeübergng In ener homogenen Wnd, durch de senkrecht zu hrer Oberfläche Wärme geletet rd, erfolgt de Temperturbnhme nch () m Berech der Schchtdcke d lner zschen der ärmeren und kälteren Sete (Bld2). Besteht ene Wnd us mehreren Schchten, so verläuft de Temperturbnhme n gut letenden Stoffen schächer ls n Wärmesolerstoffen. Wenn de Trennnd ber n enen flüssgen oder gsförmgen Stoff grenzt, entsteht n der Grenzschcht ene Strömung. De Wärmeübertrgung erfolgt dnn ncht nur durch Wärmeletung, sondern uch durch Wärmeströmung. De gesmte Wärmeübertrgung ener Oberfläche uf ene Flüssgket oder en Gs bezechnet mn ls Wärmeübergng. Bld 2: Wärmeletung Ht mn z.b. enen Behälter mt rmem Wsser, der durch ene Wnd von der umgebenden Luft getrennt st (Bld 3), so kühlt sch n der Innensete der Wnd ds Wsser b und snkt nch unten, ährend rmes Wsser us dem Innern des Behälters nchströmt. An der Außensete stegt de erärmte Luft hoch, und von unten strömt kältere Luft nch. Infolge der Strömungen bleben n den beden Grenzschchten de Temperturunterschede (nnen) und (ußen) bestehen. Von der gesmten Temperturdfferenz = ϑ - ϑ legt nur noch en Tel zschen den Oberflächen der Wnd. De Summe ller Teltemperturdfferenzen ergbt den gesmten Temperturuntersched = ϑ + + ϑ. Zur Berechnung des Wärmeübergnges n den Grenzflächen führt mn enen Wärmeübergngskoeffzenten en, der ngbt, elche Wärmemenge von m 2 der Fläche n s übertrgen rd, enn der n der Grenzschcht entstehende Temperturuntersched K beträgt. De be enem Wärmeübergng von ener Wndfläche uf ene Flüssgket oder en Gs übertrgene Wärmemenge berechnet sch nun mt dem Wärmeübergngskoeffzenten nch der Formel: Q = A t [] = W m -2 K - (2) Bld 3: Wärmeübergng und -durchgng.3.2 Wärmedurchgng Jede Wärmemenge, de vom Innern enes Behälters uf de Umgebung übergeht, muss zuerst durch de Grenzschcht uf der Innensete der Wnd, dnn durch de Trennnd selbst und schleßlch durch de äußere Grenzschcht hndurchgehen. D sch be zetlch glech blebender (sttonärer) Temperturvertelung nrgends Wärme ufspechern knn, muss der hndurchgehende Wärmestrom Q = Q t be llen Flächen und Schchten glech sen. Kennzechnet mn de Innenfläche durch den Index, de Außenflächen durch und de Wnd durch, so gelten de Glechungen: - 2 -

3 Physklsches Prktkum = A λ = A d = A (3) (4) (5) Multplzert mn de Glechungen mt /, d /λ, / und ddert se dnn, so folgt: d + λ + = A ( + + ) = A Setzt mn für den Klmmerusdruck uf der lnken Sete /k, obe k ls Wärmedurchgngskoeffzent bezechnet rd, so gelten zur Berechnung von Q und k de folgenden Glechungen: Q = k A k = + + (6) d λ Zur Berechnung der enzelnen Temperturdfferenzen löst mn de dre Ausgngsglechungen nch den Temperturunterscheden uf und erhält mt Q A = k : k = d k = k λ = = ϑ ϑ oder d ϑ : : : = : : : (7) λ k Oft kommt es vor, dss n deser Glechung en oder mehrere Gleder m Verglech zu den nderen so klen snd, dss mn se vernchlässgen drf. De Glechungen des Wärmedurchgnges entsprechen genu den Glechungen für n Rehe geschltete elektrsche Wderstände. Der Temperturuntersched steht für de Spnnung, der Wärmestrom Q für den elektrschen Strom. De Ausdrücke d/(λ A), /( A) und /(k A) entsprechen den elektrschen Wderständen. Deshlb bezechnet mn se uch ls Wärmeletderstnd, Wärmeübergngsderstnd und Wärmedurchgngsderstnd. We n der Elektrztätslehre knn mn dnn den Stz ufstellen: Der gesmte Wärmedurchgngsderstnd ener Trennnd st de Summe us Wärmeübergngs- und Wärmeletderständen. Alle unter Abschntt.3 gemchten Ausführungen gelten für enen sttonären Zustnd. Ds Aufärmen und Abkühlen durch Lufttemperturänderungen bz. Sonnenenstrhlung rd durch de Wärmekpztät C der Wnd bestmmt: C = c m [C] = J K - (8) c: spezfsche Wärmekpztät der Wnd m: Msse der Wnd - 3 -

4 Physklsches Prktkum 2. Versuch 2. Vorbetrchtung Aufgbe : Temperturunterschede versuchen sch stets uszuglechen. Wärme bretet sch deshlb mmer von Stellen höherer Tempertur zu Stellen nedrgerer Tempertur us. Nennen Se dre verschedene Arten deser Wärmeusbretung. Aufgbe 2: Wozu dent der Wärmeübergngskoeffent und s gbt er n? Aufgbe 3: In enem geschlossenen Rum herrscht ene Innentempertur ϑ von 50 C. In desem Rum befndet sch en Fenster, elches mt ener Holzpltte der Stärke 2,5 cm verschlossen st. De Innensete deser Pltte ht ene Tempertur ϑ von 40 C, de Außensete ene Tempertur ϑ 2 von 25 C. De Außentempertur ϑ beträgt 20 C. Der Wärmeübergngskoeffzent be ntürlcher Luftbeegung n geschlossenen Räumen für lle prktsch vorkommenden Wndmterlen beträgt 8, W/m 2 K. Bestmmen Se n Hnd der Abbldung 2 de Dfferenzen der Innentempertur, der Außentempertur und der Wndtempertur. Berechnen Se de Wärmeletfähgket der Wnd λ, den Wärmeübergngskoeffzenten nch ußen und den Wärmeübergngskoeffenten k unter Verendung der Glechungen (3) bs (7). 2.2 Versuchsdurchführung 2.2. Verendete Geräte Thermohus mt elektronscher Hezungsregelung, 4 dgtle Temperturmessgeräte (GTH 70) mt Thermoelementen NCr-N, en dgtles Temperturmessgerät (GTH 200) mt Thermoelement NCr- N,, Stoppuhr, Rotlchtlmpe 50W Versuchshnese Hnes: Deser Versuch erfordert über 80 Mnuten rene Messzet und st nur be exkter Vorberetung und zügger Durchführung n ener Prktkumsenhet zu schffen! Ds Thermohus st be Begnn des Versuches mt folgenden Wänden versehen: Holz (d = cm), Styropor (d = 2cm), Holz (d = 2cm), Enfchgls (d = 5mm). Aufgbe ): Messung von Wndtemperturen ährend der Aufhezphse Thermoelemente snd be Begnn der Messung ngeschlossen: Innennd Holz (2cm) () Außennd Holz (2cm) (2) Innennd Styropor (3) Außennd Styropor (4) De Innenrumtempertur des Thermohuses rd mt enem gesonderten dgtlen Thermometer gemessen. Achtung: De Anschlüsse der Messkbel dürfen ncht mechnsch bensprucht erden

5 Physklsches Prktkum Schlten Se den Tempertursteller n der Hezungsregelung uf den 4-ten Telstrch. Begnnen Se de Zetmessung mt dem Enschlten der Hezungsregelung. Lesen Se de 5 Temperturen jede 2. Mnute für ene Gesmtduer von 30 Mnuten b. Aufgbe b): Zusätzlche Wärmebestrhlung von folgenden Wänden: 2cm - Holznd Styropornd Glsfenster Bestrhlen Se 5 Mnuten lng n enem Abstnd von c. 20cm mt der Rotlchtlmpe de Holznd (2cm) und lesen Se jede Mnute lle 5 Temperturen b. Schlten Se de Rotlchtlmpe us und messen Se 5 Mnuten lng mt der glechen Schrttete eter. Wederholen Se de Messung für de Styropornd und für ds Glsfenster. Hnes: De elektrsche Hezung des Thermohuses blebt de gnze Zet engeschltet. Aufgbe 2: Bestmmung der Wärmeletfähgket von Holz, Gls und Styropor Schlten Se de Hezung jetzt us. Der sttonäre Zustnd zur Bestmmung der geforderten Koeffzenten st nch der Durchführung der Aufgbe (c. 70mn) errecht. Messen Se lle 5 Temperturen der ngeschlossenen Wände (von Aufgbe ) mnutenese für 5 Mnuten. Tuschen Se de ngeschlossenen Thermoelemente m Temperturmessgerät us. Innennd Holz (cm) () Außennd Holz (cm) (2) Innennd Gls (3) Außennd Gls (4) Messen Se erneut lle 5 Temperturen der ngeschlossenen Wände mnutenese für 5 Mnuten. Messen Se nch Abschluss ller Messungen de Rumtempertur des Lbors. 2.3 Versuchsusertung Aufgbe : Grphsche Drstellung der Temperturverläufe Stellen Se de Temperturverläufe ährend der Aufhezphse grphsch n enem Dgrmm der Funkton ϑ -5 = f (t) dr. Interpreteren Se de unterschedlch ufgenommenen Phsen entsprechend der Aufgbenstellung. Erstellen Se je en Dgrmm der Funkton ϑ -5 = f (t) für de Bestrhlung bz. Bestrhlungspusen der 3 untersuchten Wände (2cm-Holz; Styropor; Gls)

6 Physklsches Prktkum Aufgbe 2: Berechnung der Wärmeübergngskoeffzenten Gegeben: Der Wärmeübergngskoeffzent beträgt be ntürlcher Luftbeegung n geschlossenen Räumen für lle prktsch vorkommenden Wndmterlen = 8,W m -2 K -. Berechnen Se unter Verendung der Mttelerte der jeelgen Temperturen soe der Glechungen (3) bs (7) de Wärmedurchgngskoeffzenten (k-werte) und de Wärmeletfähgketen λ für de gemessenen 4 Wände. Verglechen Se den ermttelten Wärmeletfähgketskoeffzenten λ mt dem Tbellenert. Schätzen de systemtsche und zufällge Abechung b. Tbellenerte: Holz (Fchte, Sperrholz): - λ = 0,4W m - K Styropor - λ = 0,036W m - K Gls - λ = 0,7...,W m - K - 6 -