Wärmeübertragung 🌡️

Wärmeübertragung ist der Transport thermischer Energie infolge eines Temperaturunterschiedes über eine Systemgrenze (im Fall des Passivhauses: Gebäudehülle) hinweg. Die so transportierte Energie wird als „Wärme“ bezeichnet und ist eine zum Prozess gehörende Größe. Der Wärmeübergang erfolgt immer in Richtung vom wärmeren zum kälteren Bereich. Anders ausgedrückt: Wärmetransport bestrebt immer einen Energieausgleich über die Systemgrenzen hinweg.

Die physikalische Größe für den Umfang des Wärmetransportes ist der Wärmestrom, das ist die Leistung, die je Quadratmeter senkrecht zur Oberfläche hindurchfließt gemessen in W/m² (Watt je Quadratmeter). In der Regel ist der Wärmestrom (zumindest bei kleinen Temperaturdifferenzen) proportional zur Differenz der Temperaturen. Wird durch diese Temperaturdifferenz dividiert, so ergibt sich eine Größe, die das Wärmeübertragungsvermögen des Hüllflächenbauteils charakterisiert: Dies ist der Wärmedurchgangskoeffizient oder U-Wert. Dessen Maßeinheit ist somit W/(m²K) (Watt je Quadratmeter und je Kelvin [K]), wobei 1 K Temperaturdifferenz exakt gleich 1 °C Temperaturdifferenz ist.

Es gibt drei unterschiedliche physikalische Mechanismen für die Wärmeübertragung:

Wärmeleitung (das ist die Weitergabe von thermischer Energie von Molekül zu Molekül, ohne dass diese wesentlich ihren mittleren Ort verlegen; die Moleküle schubsen einander sozusagen an.)¹⁸⁾
Wärmestrahlung (auch Temperaturstrahlung genannt: das sind elektromagnetische Wellen, die von Materie mit Wärmeschwingungen abgestrahlt wird. Für den auf der Erde vorkommenden Temperaturbereich liegt die Wärmestrahlung im sog. mittleren Infrarot, vor allem bei Wellenlängen zwischen 7 und 18 µm - das ist ein gutes Stück weit „langwelliger“ als das sichtbare Licht)¹⁹⁾.
Konvektion : Das ist der Transport der Wärmeenergie durch einen Stoffstrom (z.B. ein erwärmtes Gas oder eine Flüssigkeit). (Auch ein bewegter Festkörper kann Wärme transportieren. Wie Maxwell reden wir dann von „Wärme-Mitführung“.)²⁰⁾

Siehe auch

Wärmedurchgangskoeffizient 🌡️: Weiter zur Erklärung des U-Wertes.

Bauphysik Wärme 🌡️: Verständnis für Wärme als Energieform und Temperatur zur Zustandskennzeichnung.

Was bedeutet Wärmebrückenfreies Konstruieren? 🌡️|: Um die „Löcher“ in der Hülle (Pullover) zu vermeiden.

Nicht sparen bei der Wärmedämmung: Wärmen zwei Pullover besser als nur einer? Aber sicher!

¹⁸⁾

Da ist auch sofort klar, warum die Energie (Wärme) dabei im Netto von der heißen auf die kältere Seite fließt: Die heftiger bewegten Moleküle (höhere Temperatur = höhere kinetische Energie) schubsen heftiger als die zunächst weniger bewegten - diese bewegen sich dann aber angeschubst auch heftiger - Wärme geht 'von selbst' (hier durch Wärmeleitung) von der heißeren auf die kältere Seite über

¹⁹⁾

Auch da ist wieder sofort einsichtig, dass von den heftiger bewegten Molekülen mehr Strahlung ausgeht als von denen mit niedrigerer kinetischer Energie. Auch durch Strahlung erfolgt der Netto-Wärmetransport von der heißen zur kalten Seite. Wir behandeln das später noch ausführlich - Detaileigenschaften der strahlenden Oberflächen spielen dabei eine wichtige Rolle; die damit verbundenen Vorgänge etwas genauer zu kennen, hilft bei der Entwicklung effizienter Technik.

²⁰⁾

Daran denen die meisten Menschen zunächst beim Thema Wärmetransport - so funktioniert z.B. die Wärmezufuhr vom Heizkessel zum Heizkörper (durch umgepumptes erhitztes Wasser) und vom Heizkörper an den Raum (weit überwiegend durch am Heizkörper aufsteigende erwärmte Luft). Konvektion ist somit ein wirklich bedeutender Mechanismus, findet Konvektion statt, dann ist die dadurch transportierte Wärmemenge in den meisten Fällen dominant. Für die Wärmeverluste durch ein Fenster oder eine Wand ist das allerdings anders: Da spielen Wärmeleitung und Wärmestrahlung die bedeutenderen Rollen, solange ein Bauteil zumindest einigermaßen luftdicht ist.