Einfhrung in die HLKund Gebudetechnik

Building Technologies

s

Inhaltsverzeichnis1. Gebudetechnik 1.1 1.2 1.3 1.3.1 1.4 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.2.6.1 2.2.7 2.2.8 2.2.9 2.2.10 2.2.11 2.2.12 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.4 2.4.1 2.4.2 3.1 3.2 3.3 3.3.1 3.3.1.1 3.3.1.2 3.3.1.3 3.3.1.4 3.3.1.5 3.3.1.6 3.3.1.7 3.3.1.8 3.3.2 3.3.3 3.3.3.1 3.3.3.2 3.3.3.3 3.3.3.4 3.3.3.5 3.3.3.6 3.3.4 3.3.4.1 3.3.4.2 3.3.5 3.3.5.1 3.3.5.2 3.3.6 3.3.6.1 3.3.6.2 3.3.6.3 3.3.6.4 Einleitung Gebudeschutz Gebudetechnik Gebudeautomatisierung Gebudearten, Verwendung und Konditionen Einleitung Thermodynamik (Wrmelehre) Wrmeausdehnung fester Stoffe Wrmeausdehnung von Flssigkeiten Das Medium Wasser Die Wrmeausdehnung der Gase Das Medium Luft Der Wrmeinhalt der Stoffe Von Kilokalorie zu Kilojoule und Watt Die Wrmebertragung Wrmeleitung Wrmemitfhrung (Konvektion) Wrmestrahlung Die Mischungsregel Die Zeitkonstante bei der Wrmebertragung Hydrodynamik (Strmungslehre) Laminare Strmung Turbulente Strmung Geschwindigkeit und Druck Hygienische Grundlagen Der Wrmehaushalt des Menschen Die behagliche Raumtemperatur Einfache Heizungsanlage Einteilung der Heizungssysteme Wrmeerzeugung bei Warmwasser-Zentralheizungen l- und Gasheizkessel Heizkessel-Bauarten Warmwasserversorgung mit dem Heizkessel Brenner Atmosphrische Gasbrenner Holzgas-Vorfeuerung Manuell beschickte Stckholz-Feuerung Automatische Stckholz- und Schnitzelfeuerungen Pellets-Heizkessel Koks- und Kohlekessel Sonnenenergie-Nutzung Bivalente Anlage fr Raumheizung und Warmwasser Der Sonnenkollektor als Wrmelieferant Der Solarkreislauf Der Speicher Solaranlagen-Beispiele Netto-Wrmeertrag nach Abzug aller Verluste Elektrische Widerstandsheizung mit Zentralspeicher Feststoff-Zentralspeicher Wasser-Zentralspeicher Wrmepumpen Gebruchliche Heizsysteme Arten der Umweltenergienutzung Wrme-Kraft-Kopplung (WKK) Anwendungsarten der WKK Blockheizkraftwerke (BHKW) Mini-BHKW Brennstoffzellen 7 8 10 12 14 15 16 21 23 24 31 34 36 39 40 40 42 46 50 50 52 52 52 54 57 57 59 64 65 65 65 65 66 66 68 69 69 70 71 72 73 73 74 75 76 76 77 77 77 78 79 79 79 80 80 80 84 85

2. Physikalische Grundlagen

3. bersicht Heizungsanlagen

3

3.3.7 3.3.7 .1 3.3.7 .2 3.3.7 .3 3.4 3.4.1 3.4.1.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.5 3.5.1 3.5.1.1 3.5.1.2

3.5.1.3

3.5.1.4

3.5.1.5 3.6 3.6.1.1 3.6.1.2 3.6.1.3 3.7 3.7 .1 3.7 .1.1 3.7 .1.2 3.7 .2 3.7 .3 3.7 .4 3.8 3.8.1.1 3.8.1.2 3.9 4. Kltetechnik 4.1 4.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.5.1 4.3.5.2

Fernwrmeanschluss Wrmequellen Wrmetransport und -verteilung bergabestation Wichtige Komponenten Pumpen Pumpen- und Anlagekennlinie Stellgerte Abgleichdrossel Sicherheitstechnische Ausrstung Verteiler Verteilertypen Verteiler ohne Hauptpumpe (Typ 1), fr Verbrauchergruppen in Beimischschaltung Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 2), fr Verbrauchergruppen in Drosselschaltung oder Einspritzschaltung mit Durchgangsventil Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 3), fr Verbrauchergruppen in Verteilschaltung oder Einspritzschaltung mit Dreiwegventil Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 4), fr druckdifferenzlosen Verbraucheranschluss in Beimischschaltung Hydraulische Weiche Verteilsysteme fr Heizkrper Schwerkraftsystem Pumpensysteme Stockwerksheizung Wrmeabgabe bei Warmwasser-Zentralheizungen Heizkrper Grundstzliches zur Wrmeabgabe Einflsse auf die Wrmeabgabe eines Heizkrpers Fussbodenheizungen Deckenheizung Wandheizung Zentralheizungsanlagen mit Betriebstemperaturen ber 100 C Heisswasserheizung Dampfheizung TABS Thermisch aktive Bauteil-Systeme Einleitung Khlung mit Oberflchenwasser Kompressions-Kltemaschinen-Kreisprozess Aufgabe des Kreisprozesses Physikalische Zusammenhnge Kltemittel Der Kreisprozess Absorptions-Kreisprozess Arbeitsstoffpaare Anwendung

88 88 89 90 91 91 91 93 94 95 98 99 100

100

101

101 102 103 103 103 106 106 106 106 106 107 108 108 109 109 109 109 112 114 115 115 116 120 120 123 125 126

4

5. Hydraulische Schaltungen

5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.3 5.3.1 5.3.1.1 5.3.1.2

5.3.1.3

5.3.1.4

5.3.1.5 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5 5.4.5.1 5.4.6 5.4.6.1 5.4.6.2 5.5 5.6 5.7 6. Lftungs-/Klimaanlagen 6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.3.1 6.2.3.2 6.2.3.3 6.2.3.4 6.2.3.5 6.2.3.6 6.2.3.7 6.2.3.8 6.2.4 6.2.4.1 6.2.5 6.2.6 6.2.7 6.2.8 6.2.8.1 6.2.8.2 6.2.9 6.2.10 6.2.10.1 6.2.11 6.2.12

Einleitung Hydraulische Kreise Hauptteile einer hydraulischen Anlage Darstellung hydraulischer Kreise Verteiler Verteilertypen Verteiler ohne Hauptpumpe (Typ 1), fr Verbrauchergruppen in Beimischschaltung Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 2), fr Verbrauchergruppen in Drosselschaltung oder Einspritzschaltung mit Durchgangsventil Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 3), fr Verbrauchergruppen in Verteilschaltung oder Einspritzschaltung mit Dreiwegventil Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 4), fr druckdifferenzlosen Verbraucheranschluss in Beimischschaltung Schematische Darstellung von Verteilern Hydraulische Grundschaltungen Mengenvariable und mengenkonstante Kreise Durchfluss- und Mischregelung Drosselschaltung Umlenkschaltung Beimischschaltung Beimischschaltung mit fester Vormischung Einspritzschaltung Einspritzschaltung mit Dreiwegventil Einspritzschaltung mit Durchgangsventil kV-Werte Ventil-Kennlinien Streckenkennlinie Begriffs-Erklrungen (nach DIN 1946) Lufttechnische Anlagenelemente Wetterschutzgitter Luftklappen Luftfilter Einteilung nach Filterklassen Druckdifferenzen am Luftfilter Filterbauarten Faserfilter Metallfilter Aktivkohlefilter Elektrofilter Automatische Filter Ventilatoren Die Ventilator- und Anlagekennlinien Lufterwrmer Kaltwasser-Luftkhler Direktverdampfer-Luftkhler Befeuchter Verdunstungsbefeuchter Dampfbefeuchter Entfeuchtung Wrmerckgewinnung (WRG) Arten von Wrmerckgewinnungen DEC-Systeme Luftauslsse

127 128 128 129 132 132 133

134

134

135 136 137 137 137 138 139 140 141 142 142 143 144 144 145 147 148 148 148 149 150 151 151 152 153 154 155 155 156 158 161 162 162 163 163 165 166 167 167 170 1725

6.3 6.3.1 6.3.1.1 6.3.1.2 6.3.1.3 6.3.1.4 6.3.1.5 6.3.2 6.3.2.1 6.3.2.2 6.3.2.3 6.3.2.4 6.3.2.5 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 6.5 6.5.1 7. Mess-, Steuer- und Regeltechnik 7 .1 7 .2 7 .3 7 .3.1 7 .4 7 .4.1 7 .5

Klimaanlagen mit zentraler Energiezufuhr Nur-Luft-Systeme Einkanal-Anlage ohne Zonen-Nachbehandlung Einkanal-Anlage mit Zonen-Nachbehandlung Mehrzonen-Anlage mit Mehrzonenzentrale Zweikanal-Anlagen Variabel-Volumenstrom-Systeme (VVS) Luft-Wasser-Systeme Quell-Lftung Khldecken Fan-Coil Anlagen (Ventilatorkonvektoren) Fan-Coil-Anlagen mit Primrluft und Induktionsanlagen Wasserseitiger Anschluss von Fan-Coil und Induktions-Anlagen Einzelraum-Kompakt-Klimagerte Fenster-Klimagerte Truhenklimagerte Schrankklimagerte (mit Klteerzeugung) Split-Klimagerte Kontrollierte Wohnraumlftung Kontrollierte Wohnungslftungs-Systeme Einleitung Das Messen Das Steuern Fachbegriffe Steuern Das Regeln Fachbegriffe Regeln (nach DIN 19226) Gebudeautomation

172 174 174 175 176 177 180 181 181 182 183 184 188 189 189 190 191 192 193 193 196 197 198 199 199 203 204

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1. Gebudetechnik1.1 Einleitung Gebudearten Bei der Betrachtung eines Stadtbildes, erkennt man sofort, dass es aus sehr unterschiedlichen Gebudetypen besteht. Im Wesentlichen sind es Huser fr den Wohnbereich, Brogebude (mit Lden oder auch Wohnungen integriert sog. Mischbauweise), Schulen, Theater, Sportarenen, Krankenhuser und Fabriken.

Fig. 1-1 Gebudestruktur einer Stadt

Alle diese Gebude haben eine Gemeinsamkeit: sie sollen die Benutzer vor ueren Einflssen schtzen, Sicherheit nach innen und auen gewhrleisten und fr den Benutzer ein angenehmes Klima sicherstellen. Die Menschen in den Industrienationen halten sich zu 95 % ihres Lebens in Gebuden auf. Die Qualitt der Innenwelt ist deshalb fr die Gesundheit und das Wohlbefinden von entscheidender Bedeutung. Der Stellenwert des Wohlbefindens wurde erst erkannt, als sich Klagen ber gebudebedingte Beschwerden und Krankheitssymptome huften. Die Grnde fr das Defizit an Wohlbefinden in Innenrumen sind vielfltig, manche sind objektiv erfassbar, aber viele Strungen hngen auch von der Tagesform jedes einzelnen und dem sozialen Umfeld ab. Raumluftqualitt Zu den objektiven Ursachen gehren schlechte Raumluft, zu niedrige oder zu hohe Raumtemperatur oder Feuchte, Zugerscheinungen oder ungnstige Lichtverhltnisse. Das menschliche Bedrfnis nach Komfort endet jedoch nicht an der eigenen Haustre oder am Arbeitsplatz, sondern Einkaufszentren, Messehallen, Sportarenen, Fitnesscenter, Museen und Theater sind Einrichtungen, wo die Akzeptanz sehr eng mit der empfundenen Raumluftqualitt verbunden ist. Zu unserem Wohlbefinden trgt in erheblichem Masse der individuell empfundene Gebude- und Raumkomfort bei. Eine moderne Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik in Verbindung mit einer Gebudeautomation ist heute die Basis fr eine gute Building Performance also das harmonische Zusammenspiel von Gebudearchitektur, Anlagentechnik und Raumkomfort. Trotz Automatisierung der meisten Ablufe ist die individuelle Eingriffsmglichkeit durch den Menschen vorrangiges Ziel moderner Gebudekonzepte.

Gebudeautomation

7

1.2 Gebudeschutz Klimaschutz

Vom klimatechnischen Standpunkt aus betrachtet, wirkt die Gebudehlle als Puffer zwischen dem geregelten Raumklima und den usseren Umwelteinflssen der Jahreszeiten wie Temperaturdifferenzen (+/), Sonnenstrahlung, Wind, Regen, Frost und Schnee. Speziell zu beachten sind dabei auch die mglichen Kombinationen dieser Einflsse wie Wind und Regen, Sonnenstrahlung und Hitze oder Sonnenstrahlung und Klte. Auf diese witterungsbedingten Einflsse muss die Konstruktion der Gebudehlle ausgerichtet sein und mit Hilfe der Gebudetechnik reagieren knnen. Je nach Standort muss die Gebudehlle zustzlich vor Lrmbelstigungen durch Strassen-, Bahn- oder Flugverkehr und eventuell auch vor Industrielrm schtzen.

Fig. 1-2 ussere und innere Einflsse auf ein Gebude

Sicherheit

Weiter wnschen die Bewohner oder Benutzer eines Gebudes Schutz vor unerwnschtem Zutritt oder unberechtigtem Zugriff auf ihre Sachwerte. Eine weitere, sehr wichtige Funktion der Gebudehlle ist schliesslich die ausreichende Resistenz gegen Brandeinwirkung. Die umweltpolitische Forderung nach sparsamem Energieverbrauch zum Heizen oder Khlen eines Gebudes fhrte in der ersten Phase zur wesentlichen Verbesserung der Wrmedmmung in der Gebudehlle, aber gleichzeitig auch zur rein stationren Betrachtungsweise des Wrmedurchganges durch die Gebudehlle. Die Wrmedurchgangszahl (k-Wert) ergibt zwar den spezifischen Energieverlust, sagt jedoch nichts aus ber das Wrmespeicherverhalten der Gebudehlle, das bei gezielter Nutzung ein ganz erhebliches Energiesparpotential enthlt. Geht man beispielsweise von der statistisch belegten Tatsache aus, dass die mittlere Tagestemperatur im Schweizerischen Mittelland nie ber +22 C steigt, muss man auf die Idee kommen, die hohen Tagestemperaturen mit den khlen Nachttemperaturen zu kompensieren. In modernen Geschfts- oder Schulhusern, die nachts nicht belegt sind, kann man durch Zwangslftung mit khler Nachtluft, die Gebudehlle auch von innen her abkhlen. Bei ausreichend dimensionierten Speichermassen (Beton, Mauerwerk) bleibt dann das Gebude im Inneren whrend der heissesten Tageszeit noch angenehm khl, ohne zustzliche Khlanlagen. Dieser Khleffekt kann noch durch Sonnenstoren untersttzt werden, die die ganze Aussenfassade (nicht nur die Fenster!) vor direkter Sonnenbestrahlung schtzen.

Energie

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Wir erkennen bereits die technischen Einrichtungen welche je nach Gebudeart und Verwendung ebenfalls unterschiedlich sind oder sein knnen.

Fig. 1-3 Technische Einrichtungen in einem Gebude

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1.3 Gebudetechnik BTA und TGA

Gebude beinhalten umfangreiche technische Infrastrukturen, deren Komplexitt stetig zunimmt. Unter dem Begriff Gebudetechnik oder der (nach DIN) genormten Bezeichnung Betriebstechnische Anlagen (BTA) in Gebuden versteht man alle fest installierten technischen Einrichtungen inner- und ausserhalb der Gebude, die dem funktionsgerechten Betrieb und der allgemeinen Nutzung dieser Bauten dienen. Weil die Bezeichnung Betriebstechnische Anlagen BTA zu Verwechslungen mit industriellen Produktionsanlagen fhrte, hat man die Bezeichnung Technische Gebude-Ausrstung TGA eingefhrt. Im Wesentlichen umfasst die Gebudetechnik folgende Anlagen und Installationen: Heizungs-, Lftungs- und Klimaanlagen Wrmerckgewinnungs-Anlagen Energieversorgung und -verteilung Allgemeine Gebudebeleuchtung Jalousie- (Storen) Anlagen Personen-Transportanlagen (Lifts, Rolltreppen) Automatische Tren und Tore Sicherheitsanlagen (Brand, Einbruch) Druckluftanlagen Sanitre Anlagen und Installationen Entsorgungsanlagen fr Abwasser, Abgase, Abflle etc.

Nicht dazu gezhlt werden jedoch Produktionsanlagen aller Art, sowie technische Einrichtungen, die fr irgendwelche Arbeitsprozesse direkt bentigt werden.

Dem Zusammenwirken und der gegenseitigen Beeinflussung einzelner Systeme kommt dabei eine wachsende Bedeutung zu. Insbesondere wird die Gebudehlle nicht mehr als gegebenes, starres Objekt behandelt, sondern dynamisch den unterschiedlichen Betriebszustnden der Gebudetechnik angepasst. Aufgaben der HLK-Anlagen Je nach Zweck der HLK-Anlagen knnen ihre Aufgaben in zwei Teilbereiche unterteilt werden: a. unter der Bezeichnung Komfortanlagen sind alle Anlagen zusammengefasst, die in unseren Wohnhusern, Bros, Schulen, Krankenhusern, Restaurants, Kinos, Theatern, Kaufhusern usw. ein behagliches, die Gesundheit und Leistungsfhigkeit der Menschen frderndes Raumklima schaffen und automatisch aufrechterhalten. b. unter der Bezeichnung Industrieanlagen sind alle Anlagen zusammengefasst, die ein Raumklima oder einen Raumzustand erzeugen und aufrechterhalten, um bestimmte Produktionsablufe, Lager- oder Reifeprozesse sicherzustellen.

Komfortanlagen

Industrieanlagen

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Heizungstechnik

Eine konstante, behagliche Raumtemperatur whrend der ganzen Heizperiode zu schaffen, ist das Ziel der Heizungstechnik. Sie erzeugt das Heizwasser fr die Raumheizung und in den meisten Anlagen auch fr das Brauchwarmwasser. Die Heizungstechnik eines Gebudes umfasst die Bereiche: Wrmeerzeugung, Wrmeverteilung und Wrmeabgabe. Die Wrmeerzeugung ist ein sehr komplexer Teilbereich der Heizungstechnik. Neben den konventionellen, mit l, Gas, Holz oder Kohle befeuerten Heizkesseln werden auch Wrmepumpen, Blockheizkraftwerke, Sonnenenergie oder Kombinationen der genannten Wrmeerzeuger (Bivalente Wrmeerzeugung), nebst Fernwrme-bergabestationen zur Wrmeerzeugung eingesetzt. Eng verknpft mit der Heizungstechnik ist die Sanitrtechnik.

Lftungstechnik

Ihr Aufgabengebiet ist die Lufterneuerung, vor allem in Fabrikationsrumen oder in Kinos, Theatern, Restaurants usw. also in Bauobjekten, in denen die Luft schnell verbraucht oder verunreinigt wird. Whrend der Heizperiode muss dabei die Raumtemperatur, trotz Frischluftzufuhr, auf dem gewnschten Wert gehalten werden. Dazu dienen Lufterhitzer, die berwiegend mit Warmwasser, aber auch elektrisch oder mit Dampf beheizt werden. Unser Wohlbefinden und unsere Leistungsfhigkeit werden nicht nur durch die Raumtemperatur beeinflusst, sondern ebenso durch die Feuchte, Reinheit und Frische der Luft, also durch ein auf unseren Organismus und unser Empfinden mglichst genau abgestimmtes Raumklima. Mit einer Klimaanlage knnen diese Faktoren beeinflusst werden. Die Luftaufbereitung erfolgt durch Lufterhitzer, Luftkhler und Luftbefeuchter. Das Arbeitsgebiet der Klimatechnik erstreckt sich heute von der Klimatisierung von Einzelrumen und Wohnhusern bis hin zu den Grossanlagen wie zum Beispiel in Brogebuden, Einkaufszentren, Flughfen etc. Alle Anlagen sollen oder mssen immer unter bestmglicher Ausntzung der Energie und automatisch funktionieren. Das Wohlbefinden in Gebuden mit raumlufttechnischen Anlagen muss heute nicht mehr teuer erkauft werden. Wrmerckgewinnungssysteme, Fassadenkhlung, Betonkerntemperierung (Geothermie), Beschattung, Solarenergie (Photovoltaik) gehren fast schon zur Standardausrstung in der Gebudetechnik.

Klimatechnik

Energiekosten bestimmen die Regelstrategie

11

1.3.1 Gebudeautomatisierung Das intelligente Haus

Je nach Zweckbestimmung eines Gebudes knnen unterschiedliche Anforderungen an die Gebudetechnik gestellt werden. Grundstzlich ergeben sich aber immer wieder die folgenden drei bergeordneten Forderungen: 1. Die Bedrfnisse des Menschen nach Wohlbefinden und Behaglichkeit innerhalb der Gebudehlle, ausgerichtet auf die spezifischen Nutzungsarten sollen unabhngig von usseren Einflussgrssen ausreichend erfllt werden. 2. Ein dem Gefahrenpotential angemessener Schutz der Bewohner und Benutzer sowie auch der Sachwerte, vor Elementarschden durch Feuer oder Wasser, vor technischen Schden oder vor bergriffen durch Drittpersonen soll gewhrleistet sein. 3. Diese Anforderungen sollen mit tragbaren Investitionen und minimalen Folgekosten fr Energie, Bedienung, Instandhaltung und Kapitaldienst erfllt werden knnen.7 19

BusleitungStromleitung (230 V)

14 18

11

10 8 24 13

15 25 21 15

1 1 23 20 6

4 26 5 2 2 12 3 3 9 22 17 4

16

Fig. 1- 4 Das intelligente Haus 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Beleuchtungssteuerung, automatisch und zeitabhngig Zentral- und Gruppenschaltungen Fernabfrage, Fernsteuerung Fensterkontakte Bewegungsmelder Hausauenberwachung Windstrke (Schutz z.B. von Markisen) Auensirene mit Blitzlicht Riegelschaltkontakt Steckdose, abschaltbar Regenfhler, automatisches Schlieen der Dachfenster Wassersensor Heizungsstellantriebe Sonnenstandsabhngige Jalousiesteuerung 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Raumtemperaturregelung Brennwert-Therme mit EIB-Anschluss Auentemperaturfhler Solarthermische Anlage/Photovoltaik anbindbar an der EIB Rollladen, Jalousie- und Markisensteuerung IR-Fernbedienung Bedienung konventionell oder ber EIB-Taster Haussprechanlage mit Videokamera TV-Gert zum Beobachten und Bedienen der Anlage Herd Geschirrspler Waschmaschine

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Intelligenz in Gebuden, kann man grob nach folgenden Kriterien einteilen: (Zuordnung der Kriterien entsprechen der Nummerierung in Fig. 1-4) Sicherheit 112 Energieersparnis 4, 1318 Komfort 1, 2, 3, 15, 1923 Hausgerte 2426 Zur Erfllung dieser bergeordneten Forderungen werden die entsprechenden gebudetechnischen Anlagen bentigt. Von intelligenter Gebudetechnik kann man dann sprechen, wenn diese technischen Einrichtungen bezogen auf die spezifischen Nutzenforderungen optimal funktionieren. Planung der Gebudetechnik Nicht alles was technisch mglich, sondern nur was sinnvoll d.h. nutzbringend und umweltschonend ist, soll realisiert werden. Entscheidend ist deshalb schon die Planungsphase, innerhalb der alle rtlichen Gegebenheiten bercksichtigt und alle Anforderungen sorgfltig hinterfragt werden mssen. Eine konzeptionell richtig geplante Gebudetechnik erfordert von den Planern ein hohes Mass an Grundkenntnissen der bauphysikalischen, thermodynamischen, strmungstechnischen, chemischen und kologischen Zusammenhnge. Intelligente Gebudetechnik erfordert intelligente Planer, die fachbergreifende, integrale Planungsmethoden beherrschen und diese konsequent anwenden. Zur Lsung der Regel- und Steueraufgaben liefern wir nicht nur die notwendigen Gerte und Systeme, sondern erarbeiten dazu auch die anwendungstechnischen Empfehlungen und untersttzen unsere Kunden bei der Projektierung, Inbetriebsetzung und Wartung der Anlagen. Damit wir unseren Kunden eine kompetente Untersttzung anbieten knnen, bentigen wir das entsprechende Fachwissen.

Gebudeautomations-Systeme

Anmerkung: Weitere Hinweise zum Thema Gebudetechnik siehe Broschre Gebudeautomation Begriffe, Abkrzungen und Definitionen ASN: 0-91900-de.

13

14

1.4 Gebudearten,Verwendung und Konditionen

Kondition Gebudeart Verwendung Forderung Temperatur Flachbauten Stahl-Metallbau Papiermaschinen Papierlager Druckerei Textil Baumwolle, Leinen Spinnerei Weberei Wolle Spinnerei Wolle Weberei MehrstockGebude Elektro-Industrie Allgemein Relais Isolierungen Pharmazeutische Fabrikation Photo-Industrie Herstellung, Entwicklung Lagerung v. Filmen Tabak Lagerung Vorbereitung Herstellung Ssswaren Bonbonherstellung SchokoladeHerstellung Flachbauten Museen-Gemlde Hallenbad Turn- und Festhalle Restaurant MehrstockGebude Feinmontage Nherei Verkaufshuser Labor. Chemie Labor. Physik ertrgliche Arbeitstemperatur ertrgliche Arbeitstemperatur konstante Feuchte konstante Feuchte Feuchte Luftrate (h1)

1826 C 2230 C 2024 C 2026 C

3060 % 4050 % 4560 %

515 fach

konstante Feuchte konstante Feuchte konstante Feuchte konstante Feuchte

2225 C 2225 C 2729 C 2729 C

bis 55 % 7080 % 5060 % 6070 %

staubfrei kl. Toleranz. feucht steril, trocken reine Rume staubfrei

2124 C 22 C bis 24 C

5055 % 4045 % 6570 %

515 fach

2127 C 2024 C

3040 % 4065 %

staubfrei

1822 C

4060 %

feucht feucht feucht

2123 C 2226 C 2124 C

6065 % 7585 % 5565 %

trocken khl konstante Feuchte Behaglichkeit Behaglichkeit Behaglichkeit kl. Toleranz. Behaglichkeit

2427 C 2518 C 1824 C 2630 C 2224 C 2226 C 21 C 2226 C 2026 C 2224 C 2224 C (20 C konst.) 1040 C 2224 C 2224 C 2226 C 2224 C 2025 C 2226 C 2224 C

3045 % 5060 % 4055 % 6070 % 45 % 4060 % 40 % 50 % 4560 % 50 % 45 % 20 fach 34 fach 20 fach 540 fach

46 fach 815 fach

Spezial-Labor Schulen Hrsle Brogebude Krankenhuser Bettenrume OP-Saal

behaglich behaglich behaglich steril, geruscharm steril, geruscharm behaglich behaglich

1595 % 4060 % 4060 % 4060 % 4060 % 4065 % 4055 % ca. 40 %

810 fach 36 fach

Hotel-Aufenthalt Hotelzimmer

5 fach 30 fach

PS: Die Luftwechselzahlen (Luftrate m3/h) sind in der DIN 1946 Teil 2 definiert. Nach DIN 1946 ist in Rumen zum Aufenthalt mit Personen der Aussenluftstrom nach der Anzahl der gleichzeitig anwesenden Personen und der Nutzung der Rume zu bemessen. Bei Rumen mit zustzlichen, belstigenden Geruchsquellen (z.B. Tabakrauch) soll der Mindestaussenluftstrom je Person um 20 m3/h erhht werden.14

2. Physikalische Grundlagen2.1 Einleitung Aus dem grossen Fachgebiet der Physik behandeln wir in diesem Kapitel die Anwendung der Thermo- und Hydrodynamik, bezogen auf den Bereich der HLK-Technik. Weiter werden wir uns auch mit den hygienischen Grundlagen der HLK-Technik, insbesondere mit dem Thema Behaglichkeit beschftigen. Einleitend wollen wir die verwendeten Begriffe noch etwas erlutern: Thermodynamik (Wrmelehre): Teilgebiet der Physik, in dem das Verhalten physikalischer Systeme bei Zu- oder Abfhrung von Wrmeenergie und bei Temperaturnderungen untersucht wird. Grundlage der Thermodynamik sind die Hauptstze der Wrmelehre Hydrodynamik: Teilgebiet der Strmungslehre, die sich mit der Strmung dichtebestndiger (inkompressibler) Stoffe befasst, also vor allem mit strmenden Flssigkeiten. Strmungen mit erheblichen Dichtenderungen werden in der Gasdynamik behandelt. Im Grenzfall der ruhenden Strmung reduziert sich die Hydrodynamik zur Hydrostatik. Der Name Systme International dUnits (Internationales Einheitensystem) und das Kurzzeichen SI wurden durch die 11. Generalkonferenz fr Mass und Gewicht im Jahr 1960 angenommen. SI-Einheiten sind die sieben Basiseinheiten und die aus ihnen mit dem Faktor 1 abgeleiteten Einheiten. Basisgrsse Lnge Masse Zeit Elektrische Stromstrke Absolut-Temperatur und Temperaturdifferenz Stoffmenge Einheiten. Lichtstrke SI-Basiseinheit Name: Meter Kilogramm Sekunde Ampere Kelvin Mol Candela

SI-Einheiten

Zeichen: m kg s A K mol cd

Abgeleitete Einheiten werden durch Produkte und/oder Quotienten von Basiseinheiten gebildet. Entsprechendes gilt auch fr Einheitszeichen. So ist z.B. die SI-Einheit der Geschwindigkeit: Meter durch Sekunde (m/s).

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2.2 Thermodynamik (Wrmelehre) Wie entsteht Wrme?

Wrme entsteht beispielsweise dann, wenn eine Raumkapsel mit fast 40 000 km/h wieder in die Erdatmosphre eintaucht. 2000 bis 3000 C, erzeugt vom Zusammenprall der Luftatome mit dem Hitzeschild! Wrme entsteht also durch Reibung und ist in diesem Fall Vernichtung von Bewegungsenergie. In jedem Stck Materie, sei es ein fester Krper, eine Flssigkeit, oder ein Gas, sind die Atome oder Molekle immer in Bewegung d.h. in Schwingung (Fig. 2-1). Da sie aber sehr eng gepackt sind, kommt es zwischen ihnen fortwhrend zu Zusammenstssen, und jeder Zusammenstoss erzeugt Wrme, und zwar die Wrme, die wir als Temperatur des Stoffes messen.

Fig. 2-1 Bewegungsenergie der Atome und Molekle

Zustandsnderung

Halten wir ein Stck Metall ber eine Flamme, so regen wir seine Atome thermisch an. Die Atome geraten dadurch in strkere Schwingungen: die Zusammenstsse werden heftiger und das Metall wird wrmer. Dabei dehnt es sich aus, denn die schwingende Eigenbewegung der Atome hebt einen Teil ihrer gegenseitigen Anziehungskrfte auf. Erhitzen wir weiter, so lst sich schliesslich das ganze Ordnungsgefge auf: Das Metall schmilzt, und einzelne Atome schiessen sogar als Dampf oder, genauer gesagt, als Gas aus der Flssigkeitsoberflche heraus. Hier haben wir bereits die drei thermodynamischen Aggregatzustnde kennen gelernt: fest flssig gasfrmig

Strahlung

Bei diesem Schwingen der Atome oder Molekle, diesem pausenlosen Zusammenprallen dieser kleinsten Bausteine der Stoffe, findet aber noch ein anderer Vorgang statt, den wir ebenfalls als Wrme empfinden. Einzelne Elektronen, die die Atomkerne stndig umkreisen, werden bei den Kollisionen der Atome pltzlich aus ihrer normalen Bahn auf eine weiter nach aussen liegende Bahn geschleudert (Fig. 2-2). Dort fhlen sie sich aber nicht wohl. So schnell wie mglich springen sie deshalb in stufenweisen Stzen auf ihre normale Bahn zurck. Und da keine Energie verloren geht, geben sie so viel Energie, wie notwendig war, um sie herauszuschleudern, bei der Rckkehr wieder als elektromagnetische Strahlung ab. Trifft diese Strahlung auf andere Atome oder Molekle, z.B. in unserer Haut, so versetzt sie diese in strkere Schwingungen, was sich sofort in einer Temperaturerhhung ussert. Diese aus der Wrme geborene und Wrme bewirkende Strahlung bezeichnen wir als Wrmestrahlung oder Infrarotstrahlung. Sie ist fr das menschliche Auge nicht sichtbar.

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Strahlung ermglicht die Abgabe von Wrme, ohne materielle Trger, zwischen Wrmequelle und angestrahltem Krper. So wird z.B. Energie von der Sonne durch Strahlung auf die Erde bertragen. Jeder warme Stoff gibt also stndig Wrmestrahlung ab. Auch das Stck Metall, das wir erhitzten und auch die Flamme, mit der wir es erhitzten. Nehmen wir die Flamme weg, dann werden die Schwingungen der Atome sofort schwcher, die Temperatur fllt und die Wrmestrahlung wird geringer. So wie die Flamme das Metall thermisch anregte, so regt nun das erwrmte Metall seine kltere Umgebung thermisch an, also z.B. die Umgebungsluft und die Zange, mit der es festgehalten wird. Bei diesem Prozess verliert das Metall solange seine innere Energie, bis seine Temperatur im Gleichgewicht mit der Umgebungstemperatur ist. Seine Atome sind dann aber keineswegs in Ruhe, sondern schwingen weiter mit der Energie, die dieser Temperatur entspricht.

Fig. 2-2 Elektromagnetische Strahlung durch Rckkehrenergie der Elektronen

Die Darstellung dieser Vorgnge, das Schwingen und Zusammenprallen der Atome und das Springen der Elektronen von Bahn zu Bahn, lsst uns nun die Hauptstze der Wrmelehre leichter verstehen. 1. Hauptsatz der Wrmelehre In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller Energien konstant. Energie kann weder verloren gehen, noch aus Nichts entstehen, sondern nur in eine andere Energieform umgewandelt werden. (Formelzeichen W) Auch Bewegungsenergie oder Wucht, ist diejenige mechanische Energie, die ein Krper auf Grund seiner Bewegung besitzt. Die Bindungsenergie eines Atomkerns (im eigentlichen Sinn), ist die bei Kernreaktionen frei werdende bzw. nutzbar gemachte Energie. Grotechnisch wird bis heute nur die bei Kernspaltungsprozessen freiwerdende Energie in Kernkraftwerken genutzt. In einem Atomreaktor erfolgt der Aufprall der Atomkernteilchen auf das nicht spaltbare Material mit sehr hoher Geschwindigkeit. Ist die durch Elektrizitt erzeugte mechanische Energie. In den Wrmekraftmaschinen wird aus Wrme mechanische oder elektrische Energie erzeugt.

Kinetische Energie

Kernenergie

Elektromechanische Energie

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Potentielle Energie

Oder Lageenergie (Formelzeichen pot) ist diejenige Energie, die ein Krper, Teilchen u.a. aufgrund seiner Lage in einem Kraftfeld, oder aufgrund seiner Lage zu in Wechselwirkung mit ihm befindlichen Krpern oder Teilchen seiner Umgebung besitzt. Potentielle Energie haben z.B. ein hochgehobener Krper, eine gespannte Feder, oder ein Stausee in den Bergen. Aus der Wasserkraft wird elektrische Energie, aus dieser wiederum Elektrowrme, Motorenkraft oder Licht. Aus Licht wird durch Photosynthese der Atome und Molekle organischer Stoff, d.h. chemische Energie, die im Verbrennungsprozess wieder frei wird als Wrme, Licht und Kraft. Mechanische Arbeit kann in Wrme umgewandelt werden. Die Rckverwandlung von Wrme in mechanische Arbeit ist nur teilweise mglich. Es gibt dabei immer Verluste. Wrme entsteht also bei Umwandlungsprozessen und ist gleichzeitig eine Form von Energie.

2. Hauptsatz der Wrmelehre

Wrme kann niemals von selbst von einem Krper niederer Temperatur auf einen Krper hherer Temperatur bergehen. Ein warmer Krper regt einen khleren sofort thermisch an, verliert dabei selbst innere Energie. Damit ist gleichzeitig der Richtungscharakter aller Wrmevorgnge ausgedrckt: Alle Wrmebergangsprozesse verlaufen stets vom warmen zum kalten Medium! Die Abkhlung, die wir spren, ist niemals ein Kltebergang, sondern immer der Wrmeverlust unseres Krpers!

Temperatur

Die Temperatur ist neben dem Druck, der Dichte und dem spezifischen Volumen, das Mass fr den thermischen Zustand. Das Schwingen der Atome in jedem warmen Stoff zeigt uns aber auch, dass die niedrigste Temperatur, der absolute Nullpunkt, dann erreicht sein msste, wenn die Atome ganz zur Ruhe gekommen sind, also nicht die geringste Schwingung mehr vollfhren. Praktisch ist dieser Punkt jedoch nicht zu erreichen, da ja die kleinste Wrmemenge gengt (z.B. aus dem Behlter oder sogar aus dem Thermometer!), um die Temperatur eines Stoffes zu erhhen.

Celsius

Die relativen Temperaturskalen (dazu gehren die Celsius- und die Fahrenheit-Skala) gehen von temperaturabhngigen Stoffeigenschaften wie z.B. dem Gefrierpunkt und dem Siedepunkt des Wassers aus. Celsius-Skala, vom schwedischen Astronomen Anders Celsius 1742 eingefhrte Temperaturskala. (*1701, 1744) Zur Erfassung von Temperaturwerten (z.B. Raum- oder Aussentemperatur) wird im tglichen Umgang meistens die Celsius-Skala angewendet. Eichpunkte sind: 000 C 100 C = Schmelzpunkt des Eises = Siedepunkt des Wassers

bei normalem Luftdruck von 1,013 bar.

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Kelvin

Die absolute Temperatur T basiert auf dem absoluten Nullpunkt nach Kelvin und betrgt 273,15 C. Sie wird in der Physik mit der Masseinheit Kelvin angegeben. Kelvin, engl. Physiker (*1824, 1907) Bezogen auf die Celsiusskala sind 0 C = 273 K und dementsprechend n K = 273,15 + n C = absolute Temperatur T in Kelvin Auch Temperaturdifferenzen (delta theta) werden in Kelvin angegeben. Die Erfassung der Temperatur erfolgt durch Wrmedehnung von festen Stoffen (vor allem von Metallen), Flssigkeiten (z.B. Alkohol im Thermometer) oder durch Vernderung von elektrischen Widerstnden (siehe Thema Messtechnik).100 350 50 300 0 250 - 50 200 - 100 150 - 150 100 - 200 50 - 250 0

C

T 400

K

250200 150 100 50 0 - 50 - 100 - 150 - 200 - 250 - 300 - 350 - 400 - 450

F

Fig. 2-3 Temperaturskalen

19

Vergleich und Umrechnung der verschiedenen Skalen

Nullpunkte: Grad Celsius in Grad Kelvin: Grad Celsius in Grad Fahrenheit:

0 C = 273,15 K = 32 F K F = C + 273,15 = C * 1,8 + 32

T[C] = 5/9 * (T[F] - 32) / 0,55 * (T[F] - 32) T[C] = 9/5 * (T[C] + 32) / 1,8 * (T[C] + 32) Beispiel: 10 C 283,15 K 50 F

Beim Rechnen mit Temperaturen, aber auch in Berichten, Mitteilungen und Aufstzen bezeichnen wir eine bestimmte Temperatur mit dem griechischen Buchstaben (sprich theta). Also z.B. = 7 C. Hufig wird dafr auch t = 7 C geschrieben. Wenn man es nur mit Temperaturen zu tun htte, wre das zulssig. Sobald aber die Zeit t bei den jeweiligen berlegungen, Formeln oder Berechnungen hinzukommt, wird die Verwechslungsgefahr gross. Mssen wir verschiedene bestimmte Temperaturen bezeichnen, so erhlt das einen Indexbuchstaben, meist den Anfangsbuchstaben des unterscheidenden Begriffs:RA

(theta Raum),

AU

(theta Aussentemperatur)

Unterschiedliche Temperaturen in einem Raum, einem Boiler oder auf einer Flche werden nummeriert (Fig. 2-4). Die mittlere Temperatur aus diesen Temperaturen bezeichnen wir mit m. Eine Temperaturdifferenz, wird mit (delta theta) in Kelvin bezeichnet.

1

2 m 3

4 3 J5 2 1

A

5

4

E

Fig. 2-4 Nummerierung unterschiedlicher Temperaturen im gleichen Objekt

20

2.2.1 Wrmeausdehnung fester Stoffe Wrmeausdehnung

Alle Stoffe, ob fest, flssig oder gasfrmig, dehnen sich bei Erwrmung (Energiezufuhr) aus. Der Betrag der Ausdehnung ist jedoch unterschiedlich. Diese Wrmeausdehnung erfolgt mit gewaltiger Kraft. Brcken beispielsweise mssen deshalb gleitend gelagert werden und Dehnfugen besitzen, damit sie im Winter nicht reissen und im Sommer nicht ihre Widerlager zerstren. Sehen wir uns zuerst einmal an, wie stark und wie unterschiedlich sich ein Stahlstab von 1 m Lnge und ein Kupferstab gleicher Lnge bei Erwrmung ausdehnen.

Lngenausdehnung

Temperaturdifferenz 100 C 0 C 100 C 200 C 300 C 0 C 100 C 200 C 300 C 400 C

Eisen + 1,67 mm + 1,20 mm + 1,31 mm + 1,41 mm + 1,52 mm

Kupfer +2,65 mm +1,65 mm +1,73 mm +1,77 mm +1,92 mm

Wrmeausdehnung von Stahl und Kupfer

Wir erkennen bereits, dass sich verschiedene Materialien auch unterschiedlich ausdehnen und zwar nach der Lngenausdehnungszahl . Unter der Lngenausdehnungszahl versteht man die Zunahme der Lngeneinheit eines Krpers bei 1K Temperaturerhhung. Diese Zahl ndert leicht mit der Temperaturzunahme. In der Praxis wird jedoch mit festen Mittelwerten gerechnet.

Krper Eisen (Fe) Aluminium (Alu)

mm 1,23 2,38

Krper Platin (Pt) Kupfer (Cu)

mm 0,9 1,65

5003 mm 70 C 5000 mm 20 C

+ 3 mm

/50 C

Fig. 2-5 Wrmeausdehnung eines Heizkrpers aus Stahl

Ein Heizkrper aus Stahl von 5 m Lnge dehnt sich demnach bei einer Erwrmung von 50 K um ca. 0,6 mm pro Meter, d.h. rund 3 mm aus (Fig. 2-5). Das ist schon ein kleiner Weg, den der Heizkrper im Winter jeden Morgen macht, wenn die Heizungsanlage vom reduzierten Nachtbetrieb wieder auf volle Leistung geht, und er dabei innerhalb weniger Minuten um 50 K wrmer wird.

21

Kann der Heizkrper in seinen Halterungen nicht zgig gleiten, so ergeben sich bei seinem Lngerwerden die berchtigten Knackgerusche. In schlecht geregelten Anlagen, in denen die Heizkrpertemperatur dauernd schwankt, kann es sogar den ganzen Tag ber knacken. Bimetalle Die Wrmeausdehnung der Stoffe bereitet den Technikern aber nicht nur Schwierigkeiten, sie wird auch technisch ausgentzt: Beim Bimetall sind 2 Metalle unterschiedlicher Lngenausdehnung miteinander verltet (Fig. 2-6). Wird dieses Sandwich-Metall (1) erwrmt, so muss es sich zwangslufig krmmen, da die eine Seite sich ja strker ausdehnt als die andere. Und je lnger das Bimetall und je hher die Temperatur, um so strker die Krmmung. Kreis oder spiralfrmig geformt, mit einem Zeiger versehen und entsprechend geeicht, wird das Bimetall dann zu einem Bimetall-Thermometer (2), mit einem Kontakt ausgerstet zu einem thermischen d.h. temperaturabhngigen Schalter (34).

1

2

3

4

Fig. 2-6 Bimetall Anwendungen 1 2 Arbeitsweise Bimetall-Streifen Bimetall-Thermometer 3 4 Bimetall-Schalter Bimetall-Zeitschalter mit Heizwiderstand

Solche Bimetall-Schaltsysteme werden in der Technik viel verwendet: In einfacher Ausfhrung als Sicherheitsschalter gegen bertemperatur (z.B. in Motorwicklungen oder im Motorschutz), in hochwertiger Ausfhrung mit einstellbarem Schaltpunkt aIs Temperaturregler oder sogenannte Thermostate. Das temperaturempfindliche Bimetall wird in diesen Regelgerten als Bimetall-Fhler bezeichnet. Wenn wir nun einen Bimetallstreifen, der beispielsweise bei 20 C vllig gerade sei, pltzlich einer Temperatur von 50 C aussetzen, so beginnt er sich zwar sofort zu krmmen, der Krmmungsvorgang ist aber erst dann abgeschlossen, wenn sich das ganze Bimetall-Element auf 50 C erwrmt hat. Unter gleichen Voraussetzungen wird dafr immer die gleiche Zeit gebraucht. Damit eignet sich das Bimetall zur Konstruktion von Zeitschaltern (4), die einen Vorgang, je nach Anwendungsfall, zeitverzgert oder beschleunigt ein- oder ausschalten. Zur Beschleunigung des Schaltvorganges wird das Bimetall durch einen kleinen elektrischen Heizwiderstand zustzlich beheizt. Den Temperaturreglern mit Bimetallfhler verwandt sind die Regler mit Stabausdehnungsfhler. Rohr und Stab bestehen auch bei dieser Konstruktion aus zwei Metallen, die sich unterschiedlich ausdehnen. Durch die Lngendifferenz bei der Erwrmung wird das Schaltsystem bettigt. Temperaturregler mit Stabfhler (auch Tauchfhler genannt) verwendet man vorzugsweise zur Temperaturregelung von Flssigkeiten oder Gasen in Speichern, Boilern, Rohrleitungen usw. Whrend das Medium den Fhler allseitig umsplen kann, so dass er schnell die Temperatur des Mediums annimmt, bleibt der Schaltkopf ausserhalb des Behlters. Hier ist er gut zugnglich und auch vor zu starker Erwrmung geschtzt.

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2.2.2 Wrmeausdehnung von Flssigkeiten

Der molekulare Zusammenhang von Flssigkeiten ist kleiner als der von festen Stoffen: Flssigkeiten dehnen sich daher bei Erwrmung strker aus. Aber wie die festen Stoffe, so haben auch die flssigen einen unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten und dehnen sich pro K bei hohen Temperaturen ebenfalls strker aus als bei niedrigen. Bei Flssigkeiten und Gasen betrgt die Raumausdehnung bei konstantem Druck (Beta) [1/K]

Raumausdehnung Flssigkeit Benzin Heizl EL 10-3/K 1,20 0,7 Flssigkeit Wasser (2070 C) Toluol 10-3/K 0,200,59 1,08

Die Wrmeausdehnung der Flssigkeiten wird wiederum bei den Thermometern und bei der Konstruktion temperaturabhngiger Schalter technisch ausgentzt (Fig. 2-7). Im Thermometer (1) dehnt sich die Flssigkeit in der Kugel bei Erwrmung aus und steigt dadurch in der Kapillare hoch. Will man die Temperatur von Flssigkeiten exakt messen, so muss das ganze Thermometer, einschliesslich Faden in die Flssigkeit eintauchen, da ja auch der Faden selbst sich noch ausdehnt.

1

2

3

Fig. 2-7 Wrmeausdehnung von Flssigkeiten 1 2 3 Thermometer Flssigkeitsausdehnungsfhler Thermisches Ventil

Im Prinzip hnlich aufgebaut sind die thermischen Schalter, die Temperaturregler mit Flssigkeitsausdehnungsfhler (2). Fhler, Kapillarrohr, Metalldose und Membrane sind mit l gefllt. Dehnt sich das l bei Erwrmung aus, so wird die Membrane nach oben gedrckt und bettigt das Schaltsystem. Statt eines elektrischen Schalters kann die Membrane auch ein Ventil bettigen. Wir haben dann ein temperaturabhngig gesteuertes Ventil (3).

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2.2.3 Das Medium Wasser Volumennderung

Wie alle Flssigkeiten, so dehnt sich auch das Wasser aus. Whrend sich die anderen jedoch vom Schmelzpunkt aus, mit jedem K Temperaturerhhung immer strker ausdehnen, zieht sich Wasser von 0 bis 4 C erst einmal zusammen und beginnt erst danach, sich normal zu verhalten, d.h. sich auszudehnen (Die Anomalie des Wassers).

1000 kg Wasser 1 C 0 C 2 C 4 C 10 C 20 C 30 C 40 C 50 C 60 C 70 C 80 C 90 C 100 C ca. 1090,0 Liter 1000,2 Liter 1000,1 Liter 1000,0 Liter 1000,4 Liter 1001,8 Liter 1004,4 Liter 1007,9 Liter 1012,1 Liter 1017,1 Liter 1022,8 Liter 1029,0 Liter 1035,9 Liter 1043,5 Liter

Volumennderung von Wasser in Abhngigkeit der Temperatur

Diese Tabelle zeigt uns aber auch, in wie starkem Masse sich das Wasser in einer Zentralheizungsanlage ausdehnt. Nehmen wir an, dass sich im Kessel, in den Rohrleitungen und in den Heizkrpern gerade 1000 L von 20 C befinden und dass diese Anlage im Winter sehr oft mit Wasser von 70 C betrieben wird. Das ergibt eine Volumenvergrsserung von 21 Litern! Diese 21 Liter mssen irgendwo aufgefangen werden, sonst platzt die Anlage. Jede Warmwasser-Zentralheizung hat dafr ein Ausdehnungsgefss. Wenn sich nun das Wasser so stark ausdehnt, wird es ja auch dementsprechend leichter (spezifisch leichter) weil sich seine Dichte (rho) [kg/m3] ndert.

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Dichte

Physik: (Massendichte, spezifische Masse) Formelzeichen (rho), der Quotient aus Masse und Volumen eines Krpers. Ausser vom Material des Krpers, hngt die Dichte auch vom Druck und von der Temperatur ab (insbesondere bei Gasen/Flssigkeiten). SI-Einheit der Dichte ist kg/m3 Stoff Aluminium Beton Blei Eis (bei 0 C) Eisen Gold Holz (trocken) Sand (trocken) Schaumstoff Uran Wasser 20 C Wasser (bei 4 C) Dichte kg/dm3 2,699 1,52,4 11,35 0,917 7 ,86 19,3 0,40,8 1,51,6 0,020,05 18,7 0,9982 1,000

Dichte einiger fester und flssiger Stoffe in kg/dm3 bei 20 C

Beispiel: 1000 l Wasser wiegen bei 20 C = ca. 1000 kg und bei 90 C = ca. 965 kg. Mit der Dichte ndert auch die Auftriebskraft und da Leichtes auf Schwerem schwimmt, strebt warmes Wasser immer nach oben und schichtet sich ber das kltere. Diese Schichtung spren wir z.B. sehr deutlich beim Baden im See oder im Meer.

Fig. 2-8 Temperaturschichtung im Warmwasserboiler

Technisch wurde diese Auftriebswirkung des warmen Wassers bei der Schwerkraftheizung genutzt. Beim Boiler und in jedem Kessel strebt das erhitzte (und ausgedehnte!) Wasser so schnell nach oben, dass es dabei nur einen Bruchteil seiner Wrme an das umliegende kalte Wasser abgibt (Fig. 2-8). So sammelt sich oben das warme Wasser und wird dabei auch oben entnommen. Das kalte Wasser strmt von unten nach. Die Temperaturschichtung ist dabei so stabil, dass selbst die Wirbel des nachstrmenden Kaltwassers sie kaum beeintrchtigen.

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Temperatur-Schichtung

Das Bestreben des warmen Wassers, sich ber das kltere zu schichten, macht uns aber auch Schwierigkeiten: In Hallenschwimmbdern z.B. knnen wir das warme Wasser nicht einfach durch einen Zufluss von oben oder unten einspeisen; das ergbe mit Sicherheit eine Temperaturschichtung, die selbst durch die Rhrbewegung der Schwimmenden nur sehr langsam aufgehoben werden wrde. In einem Becken mit Temperaturschichtung ist das Messen der effektiven Wassertemperatur sehr schwierig. Um diesen Problemen auszuweichen, speist man in komfortablen Anlagen das filtrierte und erwrmte Wasser an vielen Punkten am Boden des Beckens ein. Die Tendenz des warmen Wassers, sich ber das kltere zu schichten, ist so stark, dass eine solche Schichtung sogar in Rohrleitungen ber lange Strecken erhalten bleibt (Fig. 2-9). Das mssen wir bei dem Montageort von Temperaturfhlern oder Reglern in Rohrleitungen bercksichtigen.m 1 1 2

2Fig. 2-9 Temperaturschichtung von strmendem Wasser in einer Rohrleitung

Wir haben gelernt, dass beim Zusammenprall der Atome oder Molekle Wrme entsteht. Wrme ist eine Form der Energie und die Temperatur eines Stoffes ist ein Mass dafr, wie heftig die Kollisionen dieser kleinsten Bausteinchen sind. Wir haben ferner gesehen, dass mit steigender Bewegungsenergie (= Temperatur) das Gefge der Stoffe lockerer wird, dass sie sich ausdehnen und dass schliesslich feste Stoffe in den flssigen und flssige Stoffe in den gasfrmigen Aggregatzustand bergehen. Die Anomalie des Wassers Wasser hat bei 4 C seine grsste Dichte und dehnt sich sowohl bei Wrmezufuhr als auch bei Wrmeentzug aus. Whrend andere Flssigkeiten sich beim Erstarren zusammenziehen, dehnt sich Wasser aus und zwar gleich um 1/11 seines Volumens (Fig. 2-10). Darum sprengt Eis mit ungeheurer Kraft Felsen, Strassenbelge und Hausfassaden, aber auch Rohrleitungen, Heizkrper usw.

1

11 V

V

V

+ 10 C

0 C

- 10 C

Fig. 2-10 Volumenzunahme von Wasser beim Gefrieren

26

In Heizungsanlagen kommen Frostschden zumeist nur in stillgelegten und nicht entleerten Anlagen vor oder dann, wenn im Winter die Heizung nachts zu stark gedrosselt wird. In Lftungs- und Klimaanlagen dagegen gehrt es zum Normalfall, dass im Winter Aussenluft von 10 C oder tiefer durch die mit Warmwasser gespeisten Lufterhitzer geblasen wird. Hier gehrt die Sorge fr einen sicheren Frostschutz durch eine zuverlssige Temperaturberwachung zu unseren Aufgaben, denn bleibt bei diesem eisigen Wind die Warmwasserzufuhr nur fr wenige Minuten aus, so kann es zu kostspieligen Frostschden kommen. Verdunsten Wir wollen jetzt die Aggregatzustnde des Wassers ein wenig nher betrachten. Wir wissen: Wasser verdunstet. Und das hat seinen Grund in der Eigenbewegung der Molekle: Im Gegensatz zu festen Stoffen, schwingen sie im Wasser nicht um feste Punkte. Dadurch knnen jene Molekle, die sich dicht an der Wasseroberflche befinden, leicht aus dem Wasser herausschiessen. Ein Teil von ihnen wird wieder ins Wasser zurckgestossen, der andere Teil aber bleibt als unsichtbarer Wasserdampf in der Luft. Und jedes Teilchen, das entweicht und von der Luft fortgefhrt wird, nimmt seine Verdunstungswrme mit. Spielt sich dieser Vorgang auf unserer Haut ab, so spren wir diese Wrmeverluste durch Verdunstung deutlich als Khleffekt. Decken wir einen etwa zur Hlfte mit Wasser gefllten Behlter zu (Fig. 2-11), so kann die Luft die Wasserdampfteilchen nicht mehr fortfhren, und es bildet sich nun ber der Wasseroberflche ein Wasserdampf-Luftgemisch, in das immer mehr Wasserteilchen verdunsten. Bei einem geschlossenen Behlter schreitet dieser Vorgang aber nicht endlos fort, sondern endet automatisch in dem Augenblick, in dem der Druck des Wasserdampfes so stark auf der Wasseroberflche lastet, dass die Bewegungsenergie der Wasserteilchen nicht mehr ausreicht, um die Wasseroberflche zu durchstossen. Wir sagen dann: Die Luft ist mit Wasserdampf gesttigt.

Fig. 2-11 Sttigungsgleichgewicht in einem geschlossenen Behlter

Erhhen wir jedoch die Temperatur des Wassers weiter, so gewinnen die Wasserteilchen eine hhere Bewegungsenergie und knnen nun wieder die Wasseroberflche durchstossen, solange, bis sich wieder ein Krftegleichgewicht einstellt. Je hher die Temperatur, desto grsser wird also der Wasserdampfanteil in diesem Dampf/Luftgemisch.

27

Siedepunkt

Erhitzen wir das Wasser noch strker, so bilden sich in ihm pltzlich Wasserdampfblschen. Das Wasser siedet. Die Dampfbildung ist nun also nicht mehr nur auf die Wasseroberflche beschrnkt, sondern findet jetzt im Wasser statt. Wird das Wasser weiterhin auf Siedetemperatur gehalten, so verwandelt es sich vollstndig in Wasserdampf, fr den der Raum im Topf nun aber nicht mehr ausreicht und der Dampf entweicht am Deckelrand (Fig. 2-12).

Fig. 2-12 Wasserdampf braucht bei konstantem Druck mehr Volumen als Wasser

Wasser siedet bei normalem Luftdruck bei 100 C. Was heisst nun normaler Luftdruck? Diese Definition besagt, dass dann normaler Luftdruck herrscht, wenn in Meereshhe das Gewicht der Luft 101 325 N/m2 (oder 101,3 kPa = 1,013 bar), betrgt. D.h. eine Luftsule von 1 m2 Querschnitt, die bis in den Weltraum reicht hat dieses Gewicht. Der Satz Wasser siedet bei normalem Luftdruck bei 100 C besagt also, dass die Siedetemperatur offensichtlich vom Druck ber dem Wasser abhngt. Mit anderen Worten: Der auf dem Wasser lastende Druck bewirkt, dass eine hhere Bewegungsenergie der Molekle, also eine hhere Temperatur erforderlich ist, damit das fliessende Gefge aufgelst wird und das Wasser vollstndig in Wasserdampf bergeht. Daraus knnen wir schliessen, dass bei einem Druck, der hher ist als der normale Luftdruck, auch der Siedepunkt hher liegen muss. Das ist auch der Fall: Bei 1,5 bar (berdruck = 0,5 bar), z.B. in einem Haushaltsdampfkochtopf, siedet Wasser tatschlich erst bei ca. 110 C (Fig. 2-13).

1 bar

0,7 bar

90C

3 000 m . M.

100C0 m . M.

1,5 bar 110C

Fig. 2-13 Luftdruck und Siedepunkt von Wasser in Abhngigkeit der Hhe ber Meeresspiegel

28

Der Siedepunkt von Wasser, also die Temperatur, bei der die Zustandsnderung flssig-dampffrmig erfolgt, ist vom Druck abhngig.

Fig. 2-14 Temperatur-Druckdiagramm fr gesttigten Wasserdampf

In Fernheizanlagen kommen sehr hufig Wassertemperaturen > 100 C vor, was bedeutet, dass im Rohleitungsnetz ein Druck > 1 bar herrschen muss. Im nchsten Schritt wollen wir berprfen, welche Energiemengen fr die Verwandlung von Eis in Wasser und in Dampf erforderlich sind. Die Zusammenhnge sind im Temperatur-Enthalpie-Diagramm (Fig. 2-15) dargestellt. Um 1 Liter Wasser von 0 C auf 100 C zu erhitzen, brauchen wir 419 kJ. Wir stellen fest: Bei diesem Vorgang bleibt die Temperatur nicht konstant. Es wird also fhlbare (sensible) Wrme erzeugt. Bei 100 C beginnt die spontane Dampfbildung. Wrden wir jetzt mit der Wrmezufuhr aufhren, so wrde die Wassertemperatur sofort sinken und die Dampfentwicklung damit enden. Um 1 Liter Wasser vollstndig in Dampf zu verwandeln, mssen wir also solange Wrme zufhren, bis kein Wasser mehr vorhanden ist. Und dazu brauchen wir nochmals 2257 kJ, also mehr als 5 mal die Wrmemenge, die wir brauchten, um das Wasser von 0 C auf 100 C zu erhitzen.

29

Wir stellen fest: Bei diesem Vorgang bleibt die Temperatur konstant. Es wird dabei also keine fhlbare (latente) Wrme erzeugt, aber der Aggregatzustand ndert sich vom flssigen zum gasfrmigen.

Fig. 2-15 Temperatur-Enthalpie-Diagramm fr Wasser bei Luftdruck = 1013 mbar

Da theoretisch keine Energie verloren geht, ist in 1 kg Dampf von 100 C also eine Wrmemenge von 419 + 2257 kJ = 2676 kJ enthalten! Dieser Dampf hat nun also einen Wrmeinhalt (Enthalpie) von 2676 kJ/kg. Um 1 kg Eis von 0 C in 1 Liter Wasser von 0 C zu verwandeln bentigen wir 335 kJ. Wir stellen fest, dass bei diesem Vorgang die Temperatur ebenfalls konstant bleibt. Es wird dabei wieder keine fhlbare (latente) Wrme erzeugt, aber der Aggregatzustand ndert sich vom festen zum flssigen. Die Zustandsnderung des Wassers kann in verschiedenen Diagrammen dargestellt werden. In Fig. 2-15 ist die Abhngigkeit der Temperatur von der Wrmezufuhr, bei konstantem Druck, aufgezeichnet. Man erkennt daraus deutlich die Bereiche der sensiblen und latenten Wrmebertragung. Durch die Wrmezufuhr wird der Wrmeinhalt d.h. die Enthalpie h des Wassers erhht. Das Druck-Temperatur- oder Druck-Enthalpie-Diagramm, sowie die Wasser-/Dampf-Tafel sind weitere Mglichkeiten diese Zusammenhnge darzustellen (siehe Anhang). Sensible Wrme Wird einem Stoff Wrme zugefhrt (z.B. durch einen Brenner oder ein elektrisches Heizelement), so zeigt sich zunchst die fhlbare, am Thermometer ablesbare Erwrmung. Beim Schmelzen resp. Verdampfen wird Wrme zugefhrt, ohne dass die Temperatur ansteigt, bis der betreffende Stoff die Zustandsnderung vollstndig durchgemacht hat. Summe von sensibler und latenter Wrme. Bei Prozessen mit erheblichen Druck- und Volumennderungen (z.B. Kompression) kommt noch das mechanische Arbeitsvermgen (potentielle Energie) des Mediums hinzu (Masseinheit [kJ/kg]). Mit Ausnahme des sonderbaren Verhaltens unter 4 C gilt alles, was wir vom Wasser sagten, auch fr andere Flssigkeiten, nur hat jede Flssigkeit eben ihren spezifischen Ausdehnungskoeffizienten.

Latente Wrme

Enthalpie

30

2.2.4 Die Wrmeausdehnung der Gase

Erhitzen wir Eisen, Wasser und Luft um 100 K und zwar jeweils eine Sule von 1 cm2 Querschnitt und 10 cm Lnge und vergleichen die Wrmeausdehnung dieser drei Stoffe, so erhalten wir die Resultate gemss Fig. 2-16.10 cm 1 cm2

= 100 K :Eisen

+ 0,036 cm3

Wasser

+ 0,21 cm3

Luft

+ 3,65 cm3

Fig. 2-16 Wrmeausdehnung von Eisen, Wasser und Luft

Wir wissen auch, warum der Unterschied so gross ist: Beim Eisen sind die Atome ja fest gefgt, beim Wasser ist ihr Zusammenhang schon loser, und bei den Gasen ben sie nur ganz geringe Anziehungskrfte aufeinander aus. Und je geringer die gegenseitigen Anziehungskrfte, desto strker wirkt sich jede thermische Anregung aus (der erhhte Bewegungsdrang der Atome und Molekle braucht mehr Platz). Whrend sich die festen und flssigen Stoffe je nach Stoffart unterschiedlich ausdehnen, verhalten sich alle Gase praktisch gleich: Boyle-Mariotte Boyle-Mariottesches Gesetz Von R. Boyle und E. Mariotte aufgefundene Gesetzmssigkeit: In einem bestimmten Volumen eines idealen Gases ist das Produkt aus Druck p und Volumen V bei gleichbleibender Temperatur konstant Drcke: Dichte: p1 * V1 = p2 * V2 r1 * V1 = r2 * V2

Die Dichte verhlt sich wie die dazugehrigen Drcke. Gay-Lussac Gay-Lussacsches Gesetz Dieses beschreibt die Gesetzmigkeit im Verhalten idealer Gase: Das Volumen V vergrert sich bei konstantem Druck p linear mit der absoluten Temperatur T: V1 = V0 (1 +*

T1) = V0 + V0

*

T1 (T in K)

Der isobare (p = konstant) Ausdehnungskoeffizient fr alle idealen Gase hat den Wert = 1/273 K. (V0 = Volumen bei 0 C). Daraus folgt, dass sich bei konstantem Druck die jeweiligen Gasvolumina wie die absoluten Temperaturen des Gases verhalten. V1 / V2 = T1 / T2 Gase und Gasgemische, wie die Luft, dehnen sich pro K Erwrmung um jeweils 1/273 ihres Volumens bei 0 C aus. ( = 0,00366 K-1)31

Das heisst 1 m3 (= 1000 dm3) Luft dehnt sich bei Erwrmung um 1 K immer um rund 3,66 dm3 aus. Ob wir sie von 0 C auf 1 C erwrmen oder von 20 C auf 21 C ist fr unsere Berechnung ohne Einfluss. Je mehr die Luft sich nun ausdehnt, um so leichter wird sie und um so kleiner wird ihre Dichte. (Dichte von Luft bei 0 C und 1,013 bar = 1,293 kg/m3). Die von uns als gewichtslos empfundene Luft ist also gar nicht so leicht: 1 m3 Luft bei 0 C = 1,293 kg 20 C = 1,205 kg 50 C = 1,093 kg

Wir sehen daraus: 1 m3 Luft, die an einem Heizkrper vorbeistreicht und sich dabei beispielsweise von 20 C auf 50 C erwrmt, erfhrt dadurch immerhin eine Auftriebskraft Auftriebskraft von ungefhr 1 N! (N = Newton; wird im folgenden Abschnitt erklrt) Kraft, Physik: Ursache fr die Beschleunigung oder die Verformung eines Krpers. Die Kraft F ist definiert als das Produkt aus der Masse m eines Krpers und der Beschleunigung a, die dieser Krper erfhrt: F = m * a. Nach ihrem physikalischen Ursprung unterscheidet man Gravitationskrfte, elektromagnetische Krfte, Krfte der starken Wechselwirkungen, einschlielich der Kernkrfte, sowie die zum Elementarteilchenzerfall fhrenden Krfte der schwachen Wechselwirkungen. SI-Einheit der Kraft ist das Newton (N). Eine Auftriebskraft von 1 N ist fr die leichte Luft sehr viel. So steigt sie vom Heizkrper aus schnell nach oben und zieht unter der Decke entlang, wobei sie ihre Wrme an die Decke und die umliegende Luft abgibt. Dadurch wird sie wieder schwerer, fllt nach unten und strmt zum Heizkrper zurck, angesaugt von der nach oben strmenden erwrmten Luft (Fig. 2-17).

Fig. 2-17 Luftumwlzung in einem Raum mit Heizkrper

32

Wir haben hier also den gleichen Schwerkraftumtrieb wie bei der Warmwasser-Schwerkraftheizung. Da die Luftteilchen sehr frei beweglich sind, vermischen sie sich viel leichter miteinander, so dass wir bei Gasen eine weniger scharf abgegrenzte Temperaturschichtung beobachten. Die durch den Schwerkraftumtrieb bewirkten Temperaturverhltnisse in einem Raum werden dargestellt wie in Fig. 2-18.

3m

2m

1m

0m 18C 20C 22C 24C 26C 28C

Fig. 2-18 Raumtemperatur in Abhngigkeit von der Raumhhe

Wir haben damit das Thema Die Wrmeausdehnung gasfrmiger Stoffe gestreift. Die Kenntnis der weiteren Gasgesetze ist vorwiegend fr die Lftungs- und Klimatechnik eine wichtige Voraussetzung.

33

2.2.5 Das Medium Luft

Die Luft umgibt die Erde in Form einer Hlle und bt dabei auf sie einen vernderlichen Druck aus (Barometerstand). In erster Linie bentigen die Lebewesen die Luft fr die Atmung. Ein erwachsener Mensch braucht beispielsweise zur Aufrechterhaltung des Lebensprozesses etwa 0,5 m3 Atemluft pro Stunde. Die Luft erfllt aber ausserdem noch andere lebenswichtige Aufgaben. So nimmt sie unter anderem an den Oberflchen der Seen und Ozeane riesige Wassermengen in Form von Wasserdampf auf, transportiert diese ber grosse Distanzen und lsst sie als Niederschlge wieder zur Erde fallen. Die physikalischen Grssen, mit denen ein Luftzustand beschrieben wird, nennt man Zustandsgrssen. Mit diesen befasst sich auch die Klimatechnik, in der vor allem die Lufttemperatur, die Luftfeuchtigkeit und der Luftdruck von Bedeutung sind. Luft ist ein Gemisch von Gasen, Dmpfen und Verunreinigungen. Trockene, reine Luft gibt es nur theoretisch. Diese besteht aus: Gasfrmiger Stoff: Stickstoff Sauerstoff Argon Kohlendioxyd Wasserstoff Neon Helium, Krypton, Xenon Chemisches Zeichen: N2 O2 Ar CO2 H2 Ne He, Kr, Xe Volumenanteil: % 78,060 20,960 0,930 0,030 0.010 0,002 0,008 Gewichtsanteil: % 75,490 23,170 1,290 0,040 0,001 0,001 0,008

Reine trockene Luft

Neben dem thermischen Zustand der Luft spielt die Reinheit, die Gasanteile und vor allem der Wassergehalt der Luft eine wichtige Rolle. Feuchte, oder Feuchtigkeit der Luft Mit Feuchte oder Feuchtigkeit bezeichnet man den Wassergehalt eines Stoffes. Im Falle der Luftfeuchtigkeit ist das Wasser im gasfrmigen Zustand homogen mit der Luft vermischt. Wie jeder andere Stoff hat Luft nur eine begrenzte Aufnahmefhigkeit fr Wasser. Diese Grenze wird als Sttigung bezeichnet. Unterhalb der Sttigung ist feuchte Luft fr das Auge nicht von trockener Luft zu unterscheiden, also vllig farblos und durchsichtig. Oberhalb der Sttigung fllt der berschssige Wasseranteil in Form von feinsten Wassertrpfchen als Nebel oder Wolken aus. Die aufgenommene Wassermenge bei Sttigung ist von der Lufttemperatur abhngig. Sie steigt stark progressiv mit ihr an. Bei 0 C betrgt sie beispielsweise 3,9 g/m3, bei 20 C bereits 15 g/m3. Die wichtigsten Zusammenhnge werden anhand eines Beispiels erlutert: In einem Raum befindet sich Luft mit einem bestimmten Anteil von Wasserdampf. Khlt man diese Luft allmhlich ab, so wird bei einer bestimmten Temperatur der Punkt erreicht, bei dem sich an den Wnden oder auf Gegenstnden Tauwasser bildet. Diese Temperatur wird Taupunkttemperatur oder Taupunkt genannt. Den geschilderten Vorgang kann man beobachten, wenn sich Raumluft von 20 C an den Fensterscheiben mit einer Oberflchentemperatur von beispielsweise 6 C abkhlt und der ausscheidende Wasserdampf in Form von Kondensat von den Scheiben abtropft.34

Es wird dadurch deutlich, dass die Luft nicht gleichermassen fhig ist, Wasserdampf aufzunehmen und dass diese Aufnahmefhigkeit von ihrer Temperatur abhngt. So ist jeder Lufttemperatur, bei einem bestimmten Luftdruck, ein bestimmter Wasserdampfgehalt zugeordnet, der nicht berschritten werden kann, ohne dass die oben erwhnte Erscheinung der Taubildung auftritt.

Fig. 2-19 Sttigungsfeuchte in Abhngigkeit der Temperatur

h,x-Diagramm

Fig. 2-19 zeigt die Abhngigkeit der grsstmglichen Wasserdampfmenge, die bezogen auf die Temperatur in einem bestimmten Volumen enthalten sein kann. Fr die zahlenmssige Angabe der Feuchtigkeit bestehen die Grssen: Relative und absolute Feuchte. Die genauen Zusammenhnge sind im h,x-Diagramm dargestellt und knnen auf einfache Weise durch Messungen und mit Hilfe des Diagramms ermittelt werden. (h,x-Diagramm siehe Anhang). Wir wissen nun, was Wrme ist, kennen den Ursprung der Wrmestrahlung und haben auch einen kleinen Begriff davon bekommen, wie schwierig eine exakte Temperaturmessung in der Praxis ist. Danach haben wir die Wrmeausdehnung der Stoffe betrachtet und an praktischen Beispielen gesehen, wie dieses Phnomen konstruktiv ausgentzt wird und welche Vorgnge es in Heizungsanlagen und beheizten Rumen hervorruft. Wir haben auch bereits gesehen, wie viel Energie erforderlich ist, um das Medium Wasser zu erwrmen oder zu verdampfen und wissen, dass Luft nur einen bestimmten Anteil an Wasserdampf aufnehmen kann und dass diese Wasserdampfmenge von der Lufttemperatur und vom Luftdruck abhngig ist.

35

2.2.6 Der Wrmeinhalt der Stoffe

Wir haben gelernt, dass die Temperatur eines Stoffes einem bestimmten Schwingungszustand oder sozusagen Erregungszustand, seiner Atome entspricht. Wollen wir die Temperatur erhhen, so mssen wir sie strker anregen, und dazu ist Energie erforderlich. Die aufzuwendende Energiemenge hngt aber auch davon ab, wie viele Teilchen wir anregen mssen, d.h. also vom Gewicht des Stoffes. Je grsser das Gewicht eines Stoffes ist, desto grsser ist aber auch die in ihm nach der Temperaturerhhung enthaltene Wrmemenge bzw. sein Wrmeinhalt. Die in einem Stoff enthaltene Wrmemenge wird mit Q [kJ] bezeichnet.

Spezifische Wrme

Die Wrmemenge Q kann berechnet werden. Zuerst mssen wir aber noch eine Stoffgrsse kennen lernen. Wrden wir versuchen, die Temperatur von je 1 kg Kupfer, Wasser und Luft um 1 K zu erhhen, so wrden wir feststellen, dass wir bei Luft fast 3 mal mehr und bei Wasser 11 mal mehr Wrmeenergie bentigen als beim Kupfer. Bei anderen Stoffen wren die Ergebnisse ebenso unterschiedlich. Die fr eine Temperaturerhhung erforderliche Wrmemenge hngt also nicht nur vom Gewicht, sondern auch von der Wrmespeicherfhigkeit des Stoffes ab. Wir bezeichnen das als die spezifische Wrmekapazitt c des Stoffes. Diese spezifische Wrmekapazitt ist immer auf 1 kg Stoffgewicht und auf 1 K bezogen, und ihre Einheit ist [J/kg K]. Sie sagt also aus, wie viele J respektiv kJ erforderlich sind, um 1 kg dieser Stoffe um 1 K zu erwrmen. Die spezifische Wrme fr Kupfer, Wasser und Luft betrgt: Kupfer: Wasser: Luft: c = 4381 [J/kg K] c = 4190 [J/kg K] c = 1004 [J/kg K]

Die Tabelle zeigt die Werte fr die spezifische Wrme anderer Stoffe. Stoff Wasserstoff Helium Wasser Luft Stahl Kupfer le c in kJ/kg K 14,25 5,24 4,19 1,0 0,48 0,39

2,00

Sieht man vom Wasserstoff und vom Helium ab, so steht das Wasser an der Spitze aller Stoffe (auch der hier nicht aufgefhrten!). Wir brauchen also sehr viel Wrmeenergie, um Wasser auf eine hhere Temperatur zu bringen. Dafr haben wir dann aber auch entsprechend viel Wrmeenergie, mit der wir operieren knnen, in dieser Wassermenge gespeichert.

36

Beim Rechnen mit Wrmemengen interessiert uns also das Gewicht (die Masse m), die spezifische Wrme c und die Temperaturdifferenz (K) vor und nach der Erwrmung, denn sie bestimmt ja massgebend, wie viel Wrme wir dem Stoff zufhren mssen. Gehen wir umgekehrt vor und stellen einen erwrmten Krper in eine kltere Umgebung, so knnen wir aus seinem Gewicht, seiner spezifischen Wrme und dem Temperaturgeflle zwischen ihm und seiner Umgebung errechnen, welche Wrmemenge dieser Krper maximal abgeben kann. Wrmemenge Q Es gilt die Formel: Q=m*c* [kg * J/kgK * K] = [J]

Die Einheit der Wrmemenge ist das Joule, oder 1000J = 1 kJ (Kilojoule). Wenn wir also in einer Heizanlage 200 kg Wasser von 60 C auf 80 C erwrmen wollen, dann bentigen wir dazu Q = m * c * = 200 kg * 4190 J/kgK * 20 K = 16 760 000 J bzw. 16 760 kJ Strmt dieses Wasser mit 80 C in die Heizkrper und kehrt es von dort mit 60 C zum Heizkessel zurck, so hat es inzwischen die vorher zugefhrten 16 760 kJ wieder abgegeben; zum grssten Teil an die Luft in den Wohnrumen, zum kleineren Teil als sogenannte Wrmeverluste durch die Rohrleitungen an die Umgebung (Fig. 2-20).

Fig. 2-20 Prinzip einer Heizanlage

37

Wrmeleistung

Das Beispiel hat gezeigt, dass wir 16 760 kJ brauchen, um die Temperatur von 200 kg Wasser um 20 K zu erhhen. Wir haben auch gesehen, dass diese Wrmeenergie von den Heizkrpern an die Luft und von den Rohrleitungen als Wrmeverluste abgegeben wurde, so dass das Wasser wieder mit 60 C zum Kessel zurckstrmte. Wir haben also praktisch einen Wrmestrom zu den Heizkrpern geschickt. Dieser Wrmestrom muss nun im Winter dem jeweiligen Wrmebedarf angepasst werden, d.h. der Kessel muss in dieser Heizanlage pro Stunde die Wrmeenergie hergeben, die von den Heizkrpern bzw. den Rumen verbraucht wird. Die in einer bestimmten Zeit (h) aufgebrachte Energie (Arbeit), ist die Leistung. . Die Wrmeleistung oder der Wrmestrom Q. In unserem Beispiel betrgt die erforderliche Wrmeleistung . Q = 16 760 kJ / 3600 s . Q = 4,66 kJ/s = 4,66 kW

Der Zusammenhang Joule und Watt wird im folgenden Abschnitt erlutert. Um ein Gefhl fr die Grenordnung von Wrmeinhalten verschiedener Stoffe zu bekommen, schauen wir uns jetzt an, welche Wrmeenergie unsere bekannten Brennstoffe hergeben: Stoff: Heizl EL Steinkohle, Koks Stadtgas Propangas Erdgas

Wrmeinhalt: [kJ/kg] [kJ/m3]

Wrmeleistung / h: [kW/kg] [kW/m3]

42 000 30 000

11,6 8,3

9,75

16 000 93 000 34 000

4,4 25,75 9,5

46 000 39 000

12,75 11,6

Fr unsere Heizanlage, in der z.B. mit l geheizt wird, betrgt der stndliche Brennstoffverbrauch demnach 4,66 kW :11,6 kW/kg = 0,4 kg Heizl.

38

2.2.6.1 Von Kilokalorie zu Kilojoule und Watt Joule und Watt

Die Einheit Joule oder Kilojoule gehrt zu den Basiseinheiten des SI-Systems. Der 1. Hauptsatz der Wrmelehre sagt: Wrme ist Energie. Im Vergleich der Wrmeenergie mit mechanischer Energie ist nur die Energieform verschieden; die Energiemenge kann aber beide Male in Joule angegeben werden. Oft wird mechanische Energie in Nm (Newton-Meter), elektrische Energie in Ws (Watt-Sekunde) und Wrmeenergie in Joule angegeben. Es gilt : 1 Nm = 1 Ws = 1 J Was steckt nun hinter der Einheit Joule? Wir wissen, dass Joule die Einheit fr Energie ist und Energie = Kraft x Weg Kraft = Masse (kg) x Beschleunigung (m/s2) Weg = Meter (m) Energie = kg * m2/s2 = Joule Die Einheit kgm2/s2 hat mit Wrme eigentlich nichts zu tun. Wie kann man diese mechanische Einheit mit einer wrmetechnischen Grsse verknpfen? J.P Joule, ein englischer Naturforscher (18181889), bewies den . Zusammenhang experimentell. Er baute die Versuchsanordnung nach Fig. 2-21 und fand das Wrmequivalent.

Fig. 2-21 Versuch von Joule fr die Bestimmung des Wrmequivalents

Durch die Bewegung des Rotors wird die Temperatur einer bestimmten Wassermenge um einen bestimmten Betrag erhht (Aufprall der Molekle). Dies entspricht einer Wrmemengenzufuhr in kJ/kg. Joule fand heraus, dass eine Masse von m = 1 kg um eine Hhendifferenz von h = 427 m fallen muss, bis die Wrmemenge Q = 4188 Joule erzeugt wird. Nun bt aber die Masse m wegen der Erdbeschleunigung g die Gewichtskraft G aus (G = m * g). Fr den Versuch von Joule ergibt dies also: Energie = Masse x Beschleunigung x Weg Q = m * g * h = 1 kg * 9,81 m/s2 * 427 m = 4188 kgm2/s2 = 4188 Joule oder: Q = 4188 J = 4,188 kJ39

2.2.7 Die Wrmebertragung

berall dort, wo wir Wrme empfinden oder wo wir wrmetechnische Prozesse beobachten, haben wir es immer mit Wrmebertragungsprozessen zu tun. Wrmebertragung von festen auf flssige Stoffe, von flssigen auf gasfrmige und von diesen wieder auf feste Stoffe usw. Die Wrmebertragungskette in einer Warmwasser-Zentralheizung sieht z.B. wie folgt aus: Flamme des Gasbrenners Kesselwandung Kesselwasser Radiator Luft Personen sowie Wnde, Decken, Fussbden, Mbel Aussenluft und Erdreich.

2.2.8 Wrmeleitung

Wrmeleitung ist das Fliessen der Wrme in einem Stoff, durch die sich von Teilchen zu Teilchen fortpflanzende thermische Anregung (Fig. 2-22).

Fig. 2-22 Fliessen der Wrme in einem Stoff

Aber auch berall dort, wo sich zwei Stoffe fest berhren, findet eine Wrmebertragung durch Wrmeleitung statt, z.B. zwischen Elektrokochplatte und Kochtopf, zwischen Bgeleisen und Stoff usw. (Fig. 2-23).

Fig. 2-23 Wrmeleitung von einem Stoff hherer Temperatur auf einen Stoff tieferer Temperatur

Wrmeleitzahl

Wir kennen gute und schlechte Wrmeleiter. Die Wrmeleitfhigkeit wird durch die Wrmeleitzahl (lambda) ausgedrckt. Sie gibt an, welche Wrmemenge in 1 Sekunde zwischen zwei planparallelen Flchen von 1 m2 Querschnitt im Abstand von 1 m, bei einem Temperaturgeflle von 1 K fliesst. Wrmeleitzahl in W/m K

40

Fig. 2-24 Wrmeleitzahl

verschiedener Stoffe

Die Darstellung zeigt: Kupfer leitet die Wrme zirka 8 mal besser als Eisen; Luft und die porigen luftgefllten Stoffe wie Kork, Schaumstoffe, unsere Bekleidung usw. Ieiten die Wrme am schlechtesten. Solche Stoffe werden daher auch Wrmedmmstoffe genannt. Wrmeleitung ist also das Fliessen der Wrme in einem Stoff, oder auch von Stoff zu Stoff, wenn die Stoffteilchen sich fest berhren. Wie ist es nun aber, wenn die Wrme von einem festen Stoff auf einen flssigen oder gasfrmigen Stoff bertragen werden soll; beispielsweise von einer Wand an Wasser oder Luft? Hier findet doch gar keine feste Berhrung statt, hier sind die Stoffteilchen doch stndig in fliessender oder gar ungeordneter Bewegung? Ausserdem strmt doch erwrmte Luft oder erwrmtes Wasser sofort von der Wrmequelle weg nach oben? Die Wrmebertragung kann deshalb nie so vollkommen sein, wie bei zwei festen Krpern, die sich eng berhren. Richtig! Bei fliessenden Medien, wie Wasser und Luft, kommen die Stoffteilchen infolge ihrer Eigenbewegung tatschlich nur in flchtigen Kontakt mit dem festen Stoff oder, wie wir sagen wollen, mit der Wand. Sie knnen daher auch nur whrend dieser kurzen Fhlungnahme Wrme durch Wrmeleitung von ihr aufnehmen; das eine Teilchen mehr, das andere weniger. Das Medium, Wasser oder Luft, wird also nur angewrmt und nur im Bereich, nahe der Wand (Fig. 2-24). Die hier erwrmte Menge dehnt sich aus, wird spezifisch leichter und steigt nach oben, wobei sie die aufgenommene Wrme mitnimmt. Es entsteht also eine Wrmestrmung. Im Weiterstrmen tauschen die Stoffteilchen die aufgenommene Wrme untereinander und mit ihrer kalten Umgebung aus; sie bertragen sie also auch auf eine Wand, die sich ihnen entgegenstellt. Natrlich ist die bertragung auch hier nur unvollkommen, da die gegenseitige Kontaktnahme ja wiederum nur fliessend-flchtig ist.

41

Fig. 2-25 Wrmeleitung an Wnden

Die Wrmebertragung von einer Wand auf ein fliessendes Medium ruft also in diesem Medium immer eine Strmung hervor, welche die aufgenommene Wrme mitfhrt und von der sie wieder auf eine feste Wand bertragen werden kann. 2.2.9 Wrmemitfhrung (Konvektion) Das Mitnehmen, Mitfhren und Mitbringen der Wrme wird als Wrmebertragung durch Konvektion bezeichnet. 1. Mitfhrung von Energie oder elektrischer Ladung durch die kleinsten Teilchen einer Strmung (Physik). 2. Zufuhr von Luftmassen in senkrechter Richtung. Das ungezwungene, natrliche Nachobenstrmen des erwrmten Mediums nennen wir dabei freie Strmung; die Fhrung der Strmung durch Rohre oder Kanle: aufgezwungene Strmung. Welche Wrmemenge pro Zeiteinheit durch Konvektion bertragen wird, hngt ab: von der Temperaturdifferenz zwischen Wand und fliessendem Medium, von der Grsse der Wandflche, von den Wrmeleitzahlen der Wand und des fliessenden Mediums und vor allem von der Art und Geschwindigkeit der Strmung, denn je grsser die Strmungsgeschwindigkeit, um so grsser ist die Anzahl der Stoffteilchen, die mit der Wand in Berhrung kommen und dadurch Wrme von ihr aufnehmen oder an sie abgeben knnen. Wrmebergang Die Art, Richtung und Geschwindigkeit der Strmung ist rechnerisch sehr schwer zu erfassen, und die Praktiker wissen, dass auch die sorgfltigste Berechnung den tatschlichen Wrmebergang von der Wand auf das Medium, oder umgekehrt, nur annhernd genau wiedergibt. Aus diesem Grunde bedient man sich in der Praxis eines Kennwertes, der hufig durch praktische Versuche ermittelt und in Tabellen und Diagrammen niedergelegt wurde. Dieser Kennwert bezeichnet man als die Wrmebergangszahl (Alpha)

Konvektion

Freie und erzwungene Strmung

Der Alpha-Wert wird stets auf eine Flche von 1 m2 bezogen und gibt an, wie viel Watt bei 1 K Temperaturdifferenz, vom Medium auf die Wand oder von der Wand auf das Medium bertragen werden.42

Hier als Beispiel einige Alpha-Werte fr Luft und Wasser: Wrmebergangszahl Ruhende Luft Strmende Luft Nicht bewegtes Wasser Bewegtes Wasser in W/m2 K: 3 bis 20 20 bis 100 500 bis 2000 2000 bis 4000

Diese wenigen Beispiele zeigen schon, wie stark die Strmungsgeschwindigkeit den Wrmebergang beeinflusst, vor allem bei Luft. Beim Wasser ist der Einfluss der Strmung nicht so stark, da ja die Wasserteilchen ohnehin fester an der Wand anliegen als die flchtigen Luftteilchen. Aus diesen Werten erkennen wir aber auch, warum wir unsere Hand recht lange in einen Luftstrom von 80 C halten knnen, nicht aber in Wasser von 80 C. Der Wrmebergang ist ja rund 20 mal grsser! Tabellen und Diagramme fr die Alpha-Werte gibt es fr alle in der Praxis vorkommenden Wrmebergnge, z.B. fr Wasser und Luft, in Abhngigkeit von der Strmungsgeschwindigkeit an den Wrmebertragungsflchen. Wrmestrom Kennt man die Wrmebergangszahl ( ) fr die gegebenen Strmungsverhltnisse, so kann man den Wrmestrom ( ) Phi aus der Grsse der gegebenen Wandflche (A) und der Temperaturdifferenz zwischen Wand und Medium ( W M) ausrechnen: Wrmestrom ( ) =*

A*(

W

M

) [W/m2 K * m2 * K] = [W]

Fig. 2-26 Wrmestrom an einer Wand

In unserem Fachgebiet interessiert uns oft der Wrmebergang von Luft oder Wasser auf die Temperaturfhler, bzw. wie schnell wir ein regeltechnisch korrektes Messergebnis erhalten. Zum Zwecke eines guten Wrmebergangs wird der Installateur einer Lftungsanlage, einen stabfrmigen Temperaturfhler mglichst an einer Stelle im Luftkanal platzieren, wo die Strmungsgeschwindigkeit besonders gross ist.

43

In der Praxis haben wir es aber nicht nur mit Wrmebertragungsprozessen zu tun, bei denen die Wand das fliessende Medium begrenzt, sondern auch mit solchen, bei denen sie zwei fliessende Medien voneinander trennt, also zwei Gase mit unterschiedlicher Temperatur, zwei Flssigkeiten oder auch ein Gas und eine Flssigkeit, z.B.: Heisses Verbrennungsgas / Kesselwand / Kesselwasser Heisses Kesselwasser / Radiatorwand / Raumluft Raumluft / Hauswand / Aussenluft Wrmedurchgang Bei all diesen Beispielen haben wir es also mit zwei Wrmebergngen zu tun, wobei uns interessiert, welche Wrmemenge durch die Wand bertragen wird. Bei einer Hauswand mchten wir, dass mglichst wenig Wrme hindurchgeht, bei einer Kesselwand dagegen, dass mglichst viel Wrme hindurchgeht. Diese Wrmebertragung durch eine Trennwand zwischen 2 Medien, mit zweimaligem Wrmebergang, nennen wir daher Wrmedurchgang. Wir kennen jetzt die Faktoren, die den Wrmedurchgang bestimmen und erinnern uns, dass es sich hier nicht um reine Wrmeleitung handelt, denn diese setzt ja die feste Berhrung der Krper voraus. Aber dieser feste Krperkontakt ist bei den Flssigkeiten oder Gasen diesseits und jenseits der Wand ja nicht gegeben. Den Wrmedurchgang beeinflussen stattdessen im Wesentlichen die beiden Wrmebergangszahlen, z.B.1

Raumluft/Wand-lnnenflche Wand-Aussenflche/Aussenluft, also zwei schwer berechenbare Grssen (Wind usw.)

2

Weiter wird der Wrmedurchgang beeinflusst durch die Flche und Dicke der Wand die Wrmeleitfhigkeit der Wand bzw. der verschiedenen WandSchichten (z.B. Innenputz, Mauerwerk, Dmmstoff, Aussenputz) die Temperaturdifferenz, z.B. zwischen Raum- und Aussentemperatur. Beim Berechnen des Wrmedurchgangs arbeitet man auch hier praktisch ausnahmslos mit Erfahrungswerten oder Werten, die durch praktische Versuche und Messungen ermittelt wurden. Der Kennwert fr den Wrmedurchgang durch eine bestimmte Wandkonstruktion ist die Wrmedurchgangszahl k [W/m2 K] Sie ist, wie die Wrmebergangszahl , auf eine Wandflche von 1 m2 bezogen und gibt an, wie viel Watt [W] durch eine Wand hindurchgehen, wenn der Temperaturunterschied zwischen den Medien, diesseits und jenseits der Wand, 1 K betrgt. Die Einheit der Wrmedurchgangszahl k ist deshalb die gleiche wie die der Wrmebergangszahl .

44

Kennt man also den k-Wert einer Wand, so ist das Berechnen des Wrmestromes durch die Wand (bertragene Wrmemenge) nicht schwierig. Fig. 2-27 zeigt, welche rechnerischen Grssen in der k-Zahl einer Wand zusammengefasst sind, wenn diese Wand aus drei Schichten verschiedener Dicke d und unterschiedlicher Wrmeleitzahl besteht.

Fig. 2-27 Wrmedurchgang durch eine dreischichtige Wand

Nun bestehen die Wnde eines Hauses aber keineswegs immer nur aus drei Schichten, beispielsweise 2 Backstein- und 1 Isolierschicht. Es kommt ja noch der Verputz dazu, und evtl. ist die Innenwand zustzlich mit Fliesen belegt oder mit Holz getfert. Weiter ist es ein Unterschied, ob das Mauerwerk aus gewhnlichen Backsteinen, Klinkern, Hohlsteinen oder hnlichem ausgefhrt ist. Auch die Dicke des Mauerwerkes ist je nach Nutzungszweck des Baus unterschiedlich. So erstaunt es nicht, wenn die Tabellen der k-Werte der gebruchlichen Bauelemente in den Handbchern der Haustechnik mehrere Seiten fllen. Einige Beispiele: Fenster, einfach verglast Fenster doppelt verglast Doppelfenster & Isolierverglasung Innentr Aussentr, Holz Backsteinwand, 24 cm dick Backsteinwand, 36 cm dick Betonwand (nicht porig), 250 mm StahIblechwand k in W/m2 K ca. ca. ca. ca. ca. ca. ca. ca. ca. 5 3 2,5 2,5 3 1,5 1 2,5 6

45

Mit Hilfe dieser k-Werte berechnet man bei der Projektierung der Heizungsanlage den Wrmestrom durch alle Bauelemente der Umschliessungsflchen eines Hauses, denn kennt man den Wrmestrom, d.h. die Wrmeverluste, so weiss man auch, wie gross die Leistung der Wrmeerzeugung und die Wrmeabgabe der Heizkrper in den einzelnen Rumen sein muss, um auch bei extremen Winterbedingungen die Wrmeverluste decken zu knnen. Wir werden auf dieses Thema spter noch ausfhrlicher eingehen. Zusammenfassend knnen wir an dieser Stelle aber schon festhalten: In der HLK-Technik sind Wasser und Luft die Medien, mit denen wir es vorwiegend zu tun haben. Die Wrmebertragung von einem festen Krper oder einer Wand auf diese Medien oder umgekehrt erfolgt durch Konvektion, wobei wir zwischen Wrmebergang und Wrmedurchgang unterscheiden. Die Wrmebergangszahl (und die Wrmedurchgangszahl k sind die Kenngrssen fr die Wrmebertragung vom wrmeren zum klteren Medium. Mit ihrer Hilfe knnen sowohl die Wrmeverluste durch Wnde, Fenster, Tren und Rohrleitungen, wie auch die erforderlichen Leistungen der Wrmeerzeuger und der Heizkrper berechnet werden. 2.2.10 Wrmestrahlung Wir haben gelernt: Wrmestrahlen sind langwellige elektromagnetische Schwingungen, die immer dann entstehen, wenn beim Zusammenprall der Atome einzelne ihrer Elektronen kurzzeitig aus ihrer normalen Bahn geschleudert werden. Als elektro-magnetische Schwingung gehorcht die Wrmestrahlung, wie das Licht, den optischen Gesetzen, d.h. sie breitet sich geradlinig aus, wird reflektiert und vermag auch einzelne Stoffe zu durchdringen oder geringfgig in sie einzudringen. Glas beispielsweise ist jedoch fr Wrmestrahlung praktisch undurchlssig (Fig. 2-28).

Fig. 2-28 Reflexion von Wrmestrahlen an einer Glasflche

Als elektromagnetische Schwingung braucht die Wrmestrahlung auch keine festen Teilchen als Transportmittel. Im Gegenteil; im luftleeren oder luftgefllten Raum pflanzt sie sich praktisch ungehindert fort (Sonnenstrahlung, Licht von Glhbirne), whrend sie beim Auftreffen auf feste oder flssige Stoffteilchen diese thermisch anregt und dabei selbst an Energie einbsst. Elementare Gase wie Sauerstoff (O2), Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2), sowie trockene Luft und alle Edelgase sind diatherm d.h. fr die Wrmestrahlung durchlssig. Und Gase, die keine Wrmestrahlung absorbieren, knnen auch keine solche emittieren (aussenden). Aus Moleklen bestehende Gase und Dmpfe wie Wasserdampf (H2O), Kohlenmonoxyd (CO), Kohlendioxyd (CO2), Schwefeldioxyd (SO2), Ammoniak (NH3) usw. absorbieren und emittieren Strahlung in bestimmten Wellenlngenbereichen mit unterschiedlicher Intensitt. Die Strahlungsintensitt ist dabei eine Funktion der Gastemperatur (z.B. Flamme eines l- oder Gasbrenners).46

Feste Stoffe und Flssigkeiten senden dagegen stets Wrmestrahlung aus, und je hher deren Temperatur, desto strker die Wrmestrahlung. Die von einem Stoff ausgehende Energie durch Wrmestrahlung wchst mit der 4. Potenz seiner absoluten Oberflchentemperatur. Strahlungskoeffizient C Die Intensitt (Leistung) der ausgesandten Wrmestrahlung bei einer bestimmten Temperatur ist jedoch nicht bei allen Stoffen gleich gross. Sie ist abhngig von der Strahlungskoeffizient C. Bei festen Stoffen hngt dieser Koeffizient sehr stark von der Beschaffenheit der Oberflche ab: Oberflche: Schwarzer Krper Hochglanzpolierte Metalle Weisse, glnzende Emaille lfarben (alle Farben) Aluminiumlack (Lackbronze) Mauerwerk verputzt Wasser C in W/m2 K4 5,75 * 108 0,25 * 108 5,20 * 108 5,40 * 108 2,20 * 108 5,40 * 108 5,40 * 108

Die Tabelle zeigt uns: Ein absolut schwarzer Krper gibt am meisten Strahlung ab, ein gleichgrosser hochglanzpolierter Krper aus Edelmetall dagegen am wenigsten. Die Farbe spielt keine so grosse Rolle. Prft man nun nach, wie viel der von einem Krper ausgesandten (emittierten) Strahlung von einem gleichgrossen Krper des gleichen Stoffes aufgenommen (absorbiert) wird, so kommt man zu den gleichen Werten. Emission und Absorption von Wrmestrahlung halten sich also die Waage: Ein Stoff, der wenig Wrmestrahlung aussendet, nimmt auch wenig Wrmestrahlung auf und umgekehrt. Das Berechnen der vom einen zum anderen Krper durch Wrmestrahlung bertragenen Wrmeenergie ist trotzdem nicht so einfach, da auch der Einfallswinkel der Strahlung bercksichtigt werden muss, die Strke und Hufigkeit der Reflexion sowie die Tatsache, dass beide Krper gleichzeitig Strahlung aussenden und absorbieren. Wir wollen daher gar nicht auf die Berechnung eingehen, sondern lediglich ein paar Beispiele der Wrmebertragung durch Strahlung ansehen: Die glhenden Spiralen eines elektrischen Heizofens sind starke Wrmestrahler, zumal die Richtwirkung des Reflektors noch hinzukommt. Die Wrmeabgabe durch Konvektion ist dagegen gering, da ja die Wrmebertragungsflche (Spiralen) nur sehr klein ist (Fig. 2-29).

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Fig. 2-29 Wrmeabgabe bei elektrischen Heizkrpern

Blasen wir diese glhenden Spiralen nun aber mit einem Ventilator an, so khlen sie sofort ab, denn nun fhrt die grosse Menge der vorbeistrmenden LuftteiIchen die Wrme durch Konvektion ab (Wrmebergang in Verbindung mit erzwungener Strmung). Die Wrmestrahlung geht dadurch sofort zurck: Aus dem Wrmestrahler ist ein elektrischer Heizkonvektor geworden. Bestimmte Heizkrper einer Warmwasser-Zentralheizung werden Radiator (Strahler) genannt, weil sie einen grossen Teil ihrer Wrmeleistung durch Strahlung an den Raum abgeben. Ist ein Radiator dagegen zum Raum hin verkleidet, so wird seine Strahlung abgeschirmt, und er funktioniert nur noch als Konvektor (Fig. 2-30). Bei Konvektoren bemht man sich, die Luft in mglichst engen Kontakt mit den Heizflchen zu bringen, um einen guten Wirkungsgrad der Wrmeabgabe durch Konvektion zu erzielen.

Fig. 2-30 Wrmeabgabe bei Warmwasser-Heizkrpern

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Bei der Deckenstrahlungsheizung (Fig. 2-31 links) sind Rohre als Heizkrper in die Decke eingebettet oder dicht unter ihr aufgehngt. Wir haben so eine sehr grosse Heizflche, aber bei der horizontalen Anordnung des Heizkrpers an der wrmsten Stelle im Raum, kaum eine Luftbewegung. Die Wrmeabgabe erfolgt daher fast ausschliesslich durch Strahlung.

Fig. 2-31 Wrmeabgabe bei Deckenstrahlungsheizung (links) und Fussbodenheizung (rechts)

Bei der umgekehrten Anordnung, der Fussbodenheizung (Fig. 2-31 rechts), liegen die Verhltnisse hnlich, nur ist der Anteil der Wrmeabgabe durch Konvektion grsser, da die erwrmte Luft hier ja aufsteigen kann, whrend sie bei der Deckenheizung sozusagen unter der Decke festhngt. Diese Beispiele zeigen uns auch, dass bei der Wrmebertragung vom einen auf den anderen Stoff die Wrmeleitung, die Wrmekonvektion und die Wrmestrahlung fast immer zusammenwirken: Wrme ist eine schwer zu beherrschende Form der Energie. Wann immer wir uns bemhen, einen Stoff an einem Ende zu erwrmen, so gibt er am anderen Ende einen Teil der Wrme schon wieder durch Konvektion, Strahlung oder Wrmeleitung ab. Manchmal ist das zwar erwnscht; oft ist es aber nichts anderes als Wrmeverlust. Und, genauer betrachtet, ist Heizen nichts anderes als ein laufendes Kompensieren von Wrmeverlusten.

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2.2.11 Die Mischungsregel Mischtemperatur

Die Mischungsregel ist die Gleichung zur Bestimmung der Mischtemperatur tm die sich einstellt, wenn zwei Stoffe mit den Massen m1 und m2, den zugehrigen Temperaturen t1 und t2 und den spezifischen Wrmekapazitten c1 und c2 ohne Wrmezufuhr oder Wrmeabfuhr miteinander gemischt werden. Aus dem Gleichgewicht von abgegebener und aufgenommener Wrmemenge ergibt sich: . . Qauf = Qab m1 * c1 * (tm t1) = m2 * c2 * (t2 tm)[C] tm = m1 * c1 * t1 + m2 * c2 * t2 [C] m1 * c1 + m2 c2 oder vereinfacht, beim Mischen von zwei gleichen Medien c1 = c2: tm = m1 * t1 + m2 * t2 [C] m1 + m2 In der HLK-Technik kommen Mischvorgnge wasserseitig bei den hydraulischen Schaltungen (Vorlauftemperaturregelung) und luftseitig bei der Mischluftregelung (Klappensteuerung) vor.

2.2.12 Die Zeitkonstante bei der Wrmebertragung bertragungsverhalten

Bei allen Wrmebertragungsvorgngen geht es um die Frage: Welche Wrmemenge wird pro Zeiteinheit bei einer Temperaturdifferenz von x Kelvin von einer Wand auf ein Gas oder eine Flssigkeit oder von diesen auf eine Wand bertragen? Wir lernten, dass die bertragene Wrmemenge von bestimmten Kenngrssen der Wand abhngt, der Wrmebergangszahl (bzw. der Wrmedurchgangszahl k). In einem konkreten Fall, also bei einer Wand bestimmter Grsse und stofflicher Beschaffenheit, hngt also die pro Zeiteinheit bertragene Wrmemenge demnach nur noch von der Temperaturdifferenz ab. Aber diese Temperaturdifferenz wird doch mit fortschreitender Wrmebertragung immer kleiner!? Also wird doch auch die bertragene Wrmemenge immer kleiner!? Wenn z.B. ein kalter Metallwrfel auf eine 100 C warme Kochplatte gestellt wird, so steigt die Wrfeltemperatur vorerst rasch an, weil ja die Temperaturdifferenz noch sehr gross ist. Gegen Ende der Wrmebertragung dagegen wird sie in der gleichen Zeit nur noch geringfgig ansteigen, da ja die Temperaturdifferenz nur noch vielleicht 1 K betrgt und dementsprechend wenig Wrme bertragen wird. Die pro Zeiteinheit bertragene Wrmemenge wird also immer kleiner.

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Exponentialfunktion

Vorgnge, bei denen sich die Grsse im Verhltnis zur Grsse selbst ndert, verlaufen nach einer Exponentialfunktion, einer sogenannten e-Funktion. In Fig. 2-32 sehen wir deutlich, wie die Temperaturnderung pro Zeiteinheit immer kleiner wird, da die zu berwindende Temperaturdifferenz selbst immer kleiner wird (und sie bestimmt ja die bertragene Wrmemenge!)

Fig. 2-32 Temperaturnderung pro Zeiteinheit

In der Zeiteinheit T1 (genannt Zeitkonstante) werden knapp 23 (mathematisch genau 0,632 oder 63,2 %) der insgesamt zu berwindenden Temperaturdifferenz durchschritten. In der nchsten gleich grossen Zeiteinheit T2 werden von den verbleibenden 36,8 % wiederum 63,2% durchschritten. Und auch in der dritten Zeiteinheit T3 genau dasselbe: Wiederum werden 63,2 % der noch verbleibenden Temperaturdifferenz aufgehoben usw., bis nach ca. 5 T praktisch der Ausgleich erfolgt. Ein konkretes Beispiel: Wir nehmen ein Thermometer und stecken es solange in schmelzendes Eis bis es 0 C anzeigt. Dann nehmen wir es heraus und stecken es sofort in ein Wasserbad, welches konstant auf 100 C gehalten wird. Gleichzeitig starten wir eine Stoppuhr und messen die Zeit, bis das Thermometer 63 C anzeigt. Nehmen wir an, dass es bei unserer Versuchsanordnung 20 s dauert. Jetzt knnen wir voraussagen, dass das Thermometer nach weiteren 20 s ca. 86 C anzeigen wird und nach nochmals 20 s ca. 95 C. Von da an wird die Temperatur-Anzeige nur noch sehr langsam weiter steigen und erst nach etwa 5 mal 20 s zeigt es schliesslich praktisch 100 C an. Theoretisch wrden 100 C aber erst nach unendlich langer Zeit erreicht.

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2.3 Hydrodynamik (Strmungslehre) Strmung

Als Strmung bezeichnet man die in zusammenhngender, stetiger Weise erfolgende Bewegung von Flssigkeiten, Gasen und Plasmen. Man unterscheidet: Laminare Strmung Turbulente Strmung

Reibungsfreie Strmung

Vernachlssigt man die an den Grenzflchen von Krpern und Flssigkeit zwischen einzelnen Flssigkeitsschichten auftretenden Reibungskrfte, so spricht man von reibungsfreier oder idealer Strmung. Die reibungsfreie Strmung hat Bedeutung zum allgemeinen Verstndnis von Strmungsvorgngen und zur Berechnung von Geschwindigkeits- und Druckverhltnissen (z.B. an einer Turbinenschaufel oder einem Flugzeug-Tragflgel). Sie ist fr HLK-Technik nicht relevant. Die Strmung einer Flssigkeit oder eines Gases in einem Rohr kann laminar (geschichtet) oder turbulent (wirbelig) sein. Bei der laminaren Bewegung in einem Rohr bewegen sich die einzelnen (Flssigkeits-) Teilchen auf achsenparallelen Stromlinien im allgemeinen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit w. Zwischen den einzelnen Stromfden besteht eine Schubspannung (Reibung), die umso grsser, je zher die Flssigkeit ist.

Strmungen mit Reibung

2.3.1 Laminare Strmung

Eine Strmung mit sich nicht kreuzenden Strombahnen heisst laminare Strmung. Die Flssigkeitsteilchen gleiten wie in Schichten bereinander und bewirken ein parabelfrmiges Geschwindigkeitsprofil. Es entstehen Schubspannungen und ein entsprechender Reibungswiderstand. Die laminare Strmung eignet sich nicht zur W