Universität Duisburg-Essen Fachbereich Ingenieurwissenschaften IVG / Thermodynamik Dr. M. A. Siddiqi Schnupperpraktikum 1 1. Semester Wärmeverlust durch verschiedene Wandmaterialien in einem kleinen Haus 1. Einleitung Eine wesentliche Voraussetzung für das Energiesparen im Niedertemperaturbereich (z.b. im Haushalt), d.h. für die bessere Ausnutzung vorhandener Energie, ist eine gute Wärmedämmung. Durch Verbesserung der Wärmedämmung von Fenstern, Wänden, Dach oder Kellerdecken kann, vom heutigen Standard aus, etwa die Hälfte der ohne Dämmung benötigten Heizenergie eingespart werden. Die Dämmeigenschaft einer Wand wird nicht nur durch die Wärmeleitung des Wandmaterials bestimmt, sondern auch durch den Wärmeübergang von der Zimmerluft auf die Wand bzw. von der Wand an die Außenluft. 2. Physikalische Grundlagen Wie viel Wärmeenergie durch eine Wand oder ein Fenster nach außen dringt, wird durch das Wand- bzw. Fenstermaterial und ihre Dicke bestimmt. Der Wärmedurchgang durch eine Wand wird durch Wärmeübergang (auf beiden Seiten der Wand) und Wärmeleitung (innerhalb der Wand) bestätigt. Die Wärmedurchgangszahl einer Wand ist von der Wärmeleitfähigkeit des Wandmaterials und vom Wärmeübergangskoeffizient zwischen Luft und Wand abhängig. Sie wird im stationären Zustand (bei konstanter Innen- und Außenlufttemperatur) aus dem Wärmeenergiefluss durch die Wand berechnet. Der Wärmeenergiefluss P durch eine Wand wird durch Wärmeübergang (Luft-Wand) und Wärmeleitung in der Wand bestimmt. Der Energiefluss ist abhängig von der Wandfläche A und den jeweiligen Temperaturdifferenzen (Abb.1): tli twi twa tla tli > tla Abb.1: Wärmeenergiefluss durch eine Wand
2 Luft und Wandtemperaturen innen und außen: Wärmeübergang Luft-Wand, innen: tli, tla, twi, twa P = αi A (tli - twi) (1) (wobei αi = Wärmeübergangskoeffizient innen) Wärmeübergang Wand-Luft, außen: P = αa A (twa - tla) (2) (wobei αa = Wärmeübergangskoeffizient außen) Wärmeleitung in der Wand: P = λ / d A (twi - twa) (wobei d = Dicke, λ = Wärmeleitfähigkeit des Wandmaterials) (3) Umformen und Addition dieser 3 en liefert die Beziehung für Wärmeenergiefluss durch eine Wand: P = k A (tli - tla) (4) wobei k = Wärmedurchgangszahl und es gilt: 1 / k = 1 / αi + d / λ + 1 / αa (5) Bei einem Haus aus einheitlichem Material ließe sich der Wärmeenergiefluss im stationären Zustand aus der erforderlichen Heizleistung bestimmen. Das Thermohaus besitzt 4 verschiedene Seitenwände, mit dem Vorteil, die Dämmeigenschaften von 4 Materialien gleichzeitig bestimmen zu können. Der Wärmeenergiefluss durch eine Wand wird mit Hilfe der Außenwandtemperatur bestimmt. Der Wärmeübergangskoeffizient für ruhende Luft ist bekannt. Er beträgt für alle praktisch vorkommenden Wandmaterialien α a = 8,1 W / K m² (Wärmeübergangszahl außen) Die Größe der Wandfläche A muss nicht bekannt sein, da alle en nach P /A aufgelöst werden können. Gang der Berechnung: (2) liefert P /A (4) liefert k (3) liefert λ (1) liefert α i
3. Das Thermohaus 3 Zur Bestimmung der Temperaturen verwenden wir ein Thermohaus, dessen Wände mit Thermoelementen ausgestattet sind. In das Thermohaus werden vier verschiedene Seitenwände eingesetzt: Styropor, Holz, und (Abb.2). Der Innenraum wird auf eine Temperatur von ca. 50 C aufgeheizt, ein Thermostat hält die eingestellte Temperatur konstant. Der Wärmeenergiefluss durch eine Wand wird durch Messung der Außenwandtemperaturen bestimmt. Während und kurz nach der Aufheizphase hat auch die Wärmekapazität der Wand noch Einfluss auf die Wandtemperaturen. Quantitativ auswertbare Messungen sind daher nach einer Heizzeit von 1h möglich. Die Messung von Luft- und Wandtemperaturen ermöglicht die Erarbeitung der Größen Wärmeübergangswiderstand und Wärmeleitwiderstand, aus denen sich der Wärmedurchgangswiderstand einer Wand zusammensetzt. Wie viel Wärmeenergie durch eine Hauswand oder ein Fenster nach außen dringt, wird durch das Wandmaterial und die Wanddicke bestimmt. Das Haus wird mit einer 100-W-Glühlampe aufgeheizt. Das Modellhaus muss ca. 1h vor dem Praktikum aufgeheizt werden (für exakte Messungen). Als Maß für den Wärmeenergiefluss durch jede der vier Seitenwände werden die Oberflächentemperaturen an der Außenseite der Wände gemessen. Es können verschiedene Wände mit unterschiedlichen Wärme(dämm)eigenschaften in das Thermohaus eingesetzt werden. Zur Vereinfachung und zum Vergleich von mit werden bei diesem Versuch nur bei den Wänden (d = 3mm) und (d = 3 mm) die jeweiligen Innen- und Außentemperaturen gemessen. Zusätzlich die Innentemperatur des Thermohauses und die der Umgebung. Die Temperaturen werden mittels Thermoelementen ermittelt und digital im Computer ausgewertet. Als Messdatenaufnehmer verwenden wir einen Computer Heizung: Heizregelung auf Stufe 4 Messstellenumschalter Abb. 2 Aufbau Thermohaus
4 Hinweis: Messstellenumschalterausgang zum BNC 2120 Board verbinden ( Thermocouple, Weiße Steckdose). ACH 1 Schalter auf Thermocouple umschalten. Am Messstellenumschalter gilt: 1 Innentemperatur 4 temperatur innen 2 temperatur innen 5 temperatur außen 3 temperatur außen 6 Raumtemperatur 4. Versuchsdurchführung Es befindet sich ein Thermoelement im Thermohaus, um die Innentemperatur zu messen und eines außerhalb um die Raumtemperatur zu ermitteln. An den beiden scheiben befinden sich jeweils zwei weitere Thermoelemente. Je eines innen und eines außen. Die Temperaturdaten werden über einen Messstellenumschalter in den Computer gespeist. Mit Hilfe der Software National Instruments LabVIEW 7.0 werden die Daten gemessen und am Computerbildschirm angezeigt. Der Messstellenumschalter ermöglicht die Selektion auf jeweils eine Temperaturmessstelle (1-6). Mit dem Computerprogramm werden an den Messstellen für ca. 15 Sekunden die Temperaturen gemessen (eine Messung pro Sekunde). Der Computer ermittelt den Mittelwert und gibt ihn aus. Mit Hilfe der ermittelten Temperaturen kann man die Wärmeleitfähigkeit, den Wärmeübergangswiderstand und die Wärmedurchgangszahl über die o.g. en bestimmen. Es werden 2 Messreihen durchgeführt. Die erste nach einer Aufheizzeit von ca. 30 Minuten, die zweite nach einer Aufheizzeit von ca. 1 Stunde. Vorgehensweise je Messreihe: - Heizung einschalten und ca. halbe Stunde heizen (auf Stufe 4 oder 5) - Computer einschalten und National Instruments LabVIEW 7.0 öffnen - File Open -> Arbeitsplatz -> D -> Praktikum -> Thermohaus -> Programm -> Temperaturmessung mit Thermoelementen öffnen - CJC Sensor angeben: IC Sensor - Thermoelemententyp angeben: J (Nickel/Cadmium) - Messstellenumschalter auf erste Messstelle schalten - Anklicken links oben auf => um die Temperaturmessung zu starten - Nach 15 Sekunden Temperaturmessung stoppen (STOP Tastatur), Temperaturmittelwert (average Temperatur) ablesen und in Tabelle 1 eintragen - Messstellenumschalter auf zweite Messstelle umschalten
5 - Temperaturmessung starten - Nach 15 Sekunden Temperaturmessung stoppen und Temperaturmittelwert (average Temperatur) in Tabelle 1 eintragen - Mit Messstelle 3-6 ebenso verfahren und Werte in Tabelle notieren - Wärmeenergiefluss, Wärmedurchgangszahl κ, Wärmeleitung in der Wand und Wärmeübergang Luft-Wand innen mit Hilfe der en (1) (4) bestimmen und in Tabelle 2 eintragen Messprotokoll Messung Temperatur Nr. 1 Luft innen (1) innen (2) außen (3) innen (4) außen (5) Raumtemp. (6) 2 Tabelle 1 Messung Wärme(dämm)eigenschaften Wandmaterial P /A Wärmedurchgangszahl κ Wärmeleitung in der Wand λ Wärmeübergang Wand-Luft, innen α i Tabelle 2 Die Temperaturen an der Außenwandfläche sind jetzt ein Maß für den Wärmefluss durch die Wand: Je wärmer die Außenwand, desto mehr Wärmeenergie entweicht durch die Wand, desto schlechter ist die Wärmedämmung!